空氣湍流

湍流是流體的一種流動(dòng)狀態(tài)。空氣湍流與管道的形狀、大小以及管道的材料有關(guān)。在化工原理中常用雷諾準(zhǔn)數(shù)來(lái)判斷流體的流動(dòng)狀況。

對(duì)于一般的管道，當(dāng)雷諾數(shù)Re＜2300時(shí)，流體流動(dòng)形態(tài)為層流狀態(tài)。此時(shí)，流體分層流動(dòng)，互不混合。當(dāng)Re＞4000時(shí)，流體流動(dòng)形態(tài)為湍流狀態(tài)。此時(shí)，流線不再清楚可辨，流場(chǎng)中有許多小漩渦，層流被破壞，相鄰流層間不但有滑動(dòng)，還有混合。不規(guī)則運(yùn)動(dòng)，空氣湍流就是屬于這種情況。當(dāng)Re＝2300～4000時(shí)，流體流動(dòng)形態(tài)為過(guò)渡狀態(tài)。

2100433B

湍流在空氣動(dòng)力學(xué)中指的是短時(shí)間(一般少于10min)內(nèi)的風(fēng)速波動(dòng)。為了有效地描述風(fēng)，將它認(rèn)為是通過(guò)天氣、晝夜、季節(jié)的平均風(fēng)速和湍流的風(fēng)速波動(dòng)疊加構(gòu)成的。這些風(fēng)速波動(dòng)的周期一般為一到幾個(gè)小時(shí)，在10分鐘，湍流波動(dòng)的平均值為零。

湍流產(chǎn)生的原因主要有兩個(gè):一個(gè)是當(dāng)氣流流動(dòng)時(shí)，由于地形差異(如山峰)造成的與地表的摩擦或者阻滯作用;另一個(gè)是因?yàn)榇髿鉁囟炔町惡涂諝饷芏炔町愐鸬臍饬鞔怪绷鲃?dòng)。通常這兩種原因彼此影響。例如，當(dāng)氣流經(jīng)過(guò)高山時(shí)就會(huì)被迫流向溫度較低的地區(qū)，這時(shí)氣流與大氣環(huán)境的熱平衡被打破，引起風(fēng)速波動(dòng)。

湍流顯然是一個(gè)復(fù)雜的隨機(jī)過(guò)程，并且不用簡(jiǎn)單明確的方程來(lái)表示，我們能可以通過(guò)統(tǒng)計(jì)規(guī)律來(lái)研究湍流。針對(duì)湍流統(tǒng)計(jì)規(guī)律的描述有很多，關(guān)鍵在于找出是湍流強(qiáng)度和陣能哪一種夠在實(shí)際工程中得到最好的應(yīng)用，最簡(jiǎn)單的統(tǒng)計(jì)描述就是湍流度和風(fēng)因子。其中，湍流強(qiáng)度是對(duì)湍流總體水平的度量。

在進(jìn)行CFD數(shù)值模擬的時(shí)候，往往需要估計(jì)計(jì)算入口處湍流強(qiáng)度的數(shù)值。如果想估計(jì)的準(zhǔn)，必須要進(jìn)行一些實(shí)際的測(cè)量或者要有一定的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)。以下是一些估計(jì)計(jì)算入口湍流度的方法。

1. 較高湍流度的情況：在復(fù)雜幾何形狀內(nèi)部進(jìn)行的高速流動(dòng)一般湍流度在5%---20%。比如熱交換機(jī)，渦輪，壓縮機(jī)等。

2. 中度湍流度的情況：在類似于較粗的管子內(nèi)流動(dòng)的不太復(fù)雜的流動(dòng)，較低速度(雷諾數(shù))流動(dòng)等。此時(shí)一般來(lái)說(shuō)湍流度在1%---5%。

3. 低湍流度的情況：來(lái)源于靜止的氣流的流動(dòng)。比如，汽車相對(duì)與靜止的空氣在運(yùn)動(dòng)，潛水艇外部的流動(dòng)，航空飛行器的飛行。當(dāng)然，高質(zhì)量的風(fēng)洞也可以產(chǎn)生較低湍流度的流動(dòng)。此時(shí)湍流度一般都低于1%。對(duì)于無(wú)風(fēng)時(shí)的時(shí)候，相對(duì)于航空飛行器的空氣的湍流度大約為萬(wàn)分之八。