什么是湍流?

[拼音]：tuanliu

[外文]：turbulent flow

流体的随机的旋涡运动，又称紊流。湍流是粘性流体的一种流动状态（见粘性不可压缩流体动力学）。由于流体微团间的强烈掺混，湍流的动量传递、质量传递和热量传递能力远高于层流。湍流可根据雷诺数的大小来判别。流体在管道或边界层内的流动中，当雷诺数超过某一临界值（对直圆管约为2300）时，层流失去稳定性而向湍流转变。湍流流场中所有物理量均随时间和空间不断地变化。这种变化服从统计规律，湍流流场中某点的速度、压力等物理量围绕其平均值而脉动。描述湍流平均运动的方程是雷诺方程。

湍流时，圆管内的平均速度分布明显不同于层流时的抛物线分布。速度沿管道截面趋于均匀化，只在壁面附近有很大的梯度。对于光滑圆管，可近似表示为指数律关系

式中U和U₀为管内某点和管中心线上的时间平均速度；y为该点至管壁的距离；r₀为管内半径；n为常数，随雷诺数不同在6～10范围内变动，工程上一般取n=7。速度分布也可表示为对数律关系。此外，直管段湍流压力降与截面平均流速的1.7～2次方成比例，不同于层流的一次方关系。

描述湍流切应力的半经验理论，1925年由德国物理学家L.普朗特提出。这个理论当时是用于解决圆管、平板、射流中的湍流流动问题，它在工程中仍有广泛的应用。混合长度理论的数学表达式为

式中τ_t为湍流切应力；l 为混合长度，当时把它看作为流体微团不与其他微团进行动量交换的平均路程；


为密度。

通过统计途径对湍流的内部结构进行分析，以研究各脉动量的相关和谱函数的一种理论。它的作用还只限于阐明最简单的均匀各向同性湍流的情况。湍流是一种很复杂的随机过程。人们对湍流结构的理解还远远不够，需要通过大量的实验和理论途径作更深入的研究。

参考文章

曝气速率对附加微通道湍流促进器SMBR流体动力学性能的影响废水治理湍流TurbulentFlow地球科学