淺談紊流邊界層問(wèn)題

張?jiān)?蔡影

摘 要：紊流問(wèn)題是河流動(dòng)力學(xué)的基本問(wèn)題，也就是水科學(xué)中的公認(rèn)難題。文章查閱國(guó)內(nèi)外大量研究資料就紊流邊界層問(wèn)題進(jìn)行研究與探討。

關(guān)鍵詞：紊流；邊界層；水工建筑物

Abstract： The problem of turbulence is the basic problem of river dynamics， which is a recognized problem in water science. In this paper， a large number of research on turbulent boundary layer are studied and discussed.

Keywords： turbulence；boundary layer；hydraulic structure

在流體流動(dòng)時(shí)，當(dāng)流體流速很小時(shí)，流體會(huì)分層流動(dòng)，各層之間互相獨(dú)立，該流動(dòng)狀態(tài)稱為層流；而在流速逐漸增大的過(guò)程中，流體的流線開(kāi)始擺動(dòng)，擺動(dòng)的頻率及振幅基本隨流速的增加而增大，此種流況就稱為過(guò)渡流；當(dāng)流速增加大到一定程度時(shí)，流體的流線基本消失，流場(chǎng)中會(huì)出現(xiàn)許多小漩渦，該流動(dòng)狀態(tài)稱為紊流。其廣泛存在于我們周圍的自然界及生活中，因此，對(duì)流體紊流特性的認(rèn)識(shí)對(duì)研究水利工程的我們具有重要意義。近年來(lái)，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，雖然各大高校的研究學(xué)者關(guān)于紊流的研究逐漸增多，逐漸深入，已經(jīng)取得了很大進(jìn)步，并解決了各類工程中的許多難題，但由于紊流運(yùn)動(dòng)的機(jī)理及其性質(zhì)的復(fù)雜性，使得還有許多問(wèn)題仍尚未解決。因此，對(duì)紊流的研究仍是水利工程相關(guān)專業(yè)尚未解決的最重要的研究問(wèn)題之一。

1 邊界層理論

1883年雷諾通過(guò)圓管試驗(yàn)揭示了流體流動(dòng)時(shí)的兩種不同流動(dòng)型態(tài)，并得出結(jié)論：雷諾數(shù)是判別流動(dòng)型態(tài)的準(zhǔn)數(shù)，并于1894年推導(dǎo)出雷諾方程式[1]。根據(jù)該雷諾方程式可知，若雷諾數(shù)不斷增加，則粘滯性對(duì)液流作用就會(huì)不斷減小，慣性對(duì)液流的作用就會(huì)不斷增加。也就意味著在粘性流體流動(dòng)中，慣性力和粘性力這兩種力的結(jié)果決定液流的流動(dòng)狀態(tài)。對(duì)于雷諾數(shù)較小的情況下，粘性力遠(yuǎn)大于慣性力時(shí)，流體運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的是層流，而對(duì)于雷諾數(shù)較大的情況，慣性力遠(yuǎn)大于粘性力起主要作用，則流體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)為紊流。普朗特根據(jù)大雷諾數(shù)流動(dòng)的特點(diǎn)提出設(shè)想：把整個(gè)流動(dòng)區(qū)域分為兩個(gè)區(qū)域來(lái)研究，在管壁附近的一薄層中，由于流速梯度很大，必須考慮粘性作用，并把該薄層稱為邊界層；而薄層（邊界層）以外的區(qū)域則可以忽略粘性作用，近似看作是理想的流動(dòng)區(qū)域[2]。

2 研究方法

隨著計(jì)算機(jī)在現(xiàn)代科技時(shí)代發(fā)展的普遍應(yīng)用，數(shù)值模擬在紊流的研究方法中也得到重視，逐漸成為主要研究方法之一。現(xiàn)有的數(shù)值模擬方法主要有：直接數(shù)值模擬、大渦數(shù)值模擬及雷諾平均模擬[3]。直接數(shù)值模擬是直接采用數(shù)值計(jì)算求解流動(dòng)方程，但其計(jì)算量太大，耗時(shí)耗力。目前直接數(shù)值模擬主要用來(lái)計(jì)算雷諾數(shù)較低的簡(jiǎn)單紊流運(yùn)動(dòng)。雷諾平均模擬在工程中被廣泛應(yīng)用，需對(duì)流體收集平均數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)建立模型，缺點(diǎn)是只能提供該紊流的平均信息。大渦數(shù)值模擬是目前最為熱門(mén)的紊流數(shù)值模擬研究方法，該方法可以模擬較大雷諾數(shù)值的紊流運(yùn)動(dòng)和相對(duì)較為復(fù)雜的紊流運(yùn)動(dòng)，對(duì)空間分辨率的要求遠(yuǎn)小于直接數(shù)值模擬，并且相對(duì)比雷諾平均模擬方法可以獲得更多的紊流運(yùn)動(dòng)的相關(guān)信息。

3 水工建筑物紊流邊界層研究的現(xiàn)狀及存在的問(wèn)題

自1904年普朗特（L.Prandtl）提出邊界層概念，該理論在近代流體力學(xué)史中起到重要作用。該理論廣泛應(yīng)用于航空、航天、航海、化學(xué)工程、水利工程以及氣象學(xué)、環(huán)境科學(xué)等各個(gè)方面，并且在應(yīng)用過(guò)程中使其又不斷的得到了充實(shí)和提高，能夠在處理實(shí)用問(wèn)題時(shí)充分提供分析的理論基礎(chǔ)。

雖然當(dāng)代水利工程的科研發(fā)展速度很快，但目前相關(guān)水工建筑物中的紊流邊界層問(wèn)題所展開(kāi)的研究依然很少，對(duì)相關(guān)試驗(yàn)資料的分析也還不夠深入，未能形成系統(tǒng)的研究成果，水工建筑物中的邊界層還有很多需要深入研究的問(wèn)題。例如，凹曲率造成的勢(shì)流區(qū)速度梯度和邊界層中的流速梯度對(duì)水頭損失和切應(yīng)力分布等方面的影響既有區(qū)別又有聯(lián)系；反弧后流速分布的均勻化以至形成所謂二次邊界層都是目前尚不明確的問(wèn)題[4]。還有質(zhì)量力對(duì)于邊界層的影響，這主要包括重力及離心力的影響問(wèn)題。此外，模型模擬問(wèn)題更是有待研究的重要問(wèn)題。在模型量測(cè)中，在壩面水流中，要同時(shí)滿足原型與模型之間外部水流的動(dòng)力相似與邊界層水流的動(dòng)力相似，是非常困難的，要使模型水流能預(yù)演原型水流，目前還是沒(méi)有很好的途徑，很難做到的。所以在紊流相關(guān)的模型模擬試驗(yàn)中所得到的數(shù)據(jù)也與實(shí)際流體流動(dòng)略有差異，存在一定的誤差，從而不能更精準(zhǔn)的分析。

參考文獻(xiàn)

[1]王潔.各向同性紊流的試驗(yàn)研究及應(yīng)用[D].重慶：重慶交通大學(xué)，2015.

[2]Michael ManHart.A study on turbulence modulation via an analysis of turbulence anisotropy_invariants[J].Science China，2010，53（3）：508-513.

[3]肖洋.光滑壁面明渠紊流邊界層擬結(jié)構(gòu)試驗(yàn)研究[D].南京：河海大學(xué)，2002.

[4]周樹(shù)堂.動(dòng)靜壓浮環(huán)軸承紊流特性基礎(chǔ)研究[D].河南：鄭州大學(xué)，2010.

作者簡(jiǎn)介：張?jiān)拢?992-），女，遼寧朝陽(yáng)人，研究生，主要研究方向：水利水運(yùn)工程規(guī)劃與管理。