本文翻譯轉載于：Cadence Blog

作者：Gaurav

要點

●湍流是一種普遍存在的現象，存在于從微觀到宏觀尺度的眾多尺度流動中。

●它涉及混亂、不規則的流體運動，通常以渦旋和渦流等旋轉結構為特征。

●湍流會顯著影響氣動阻力，并導致流體系統的能量耗散。

為何研究湍流？

流體流動中的湍流行為是經典物理學中最令人關注且最具挑戰性的問題之一。大多數流體流動都表現出湍流，湍流在已知宇宙的廣泛尺度上發揮著關鍵作用。其影響范圍廣泛，從細胞內的微觀生物過程和生物體的循環系統，到技術設備和家用電器。此外，湍流也存在于廣泛的地球物理和天體物理現象中，包括行星內部、海洋、大氣和恒星動力學，甚至延伸到星系和星系際尺度。

在整個 19 世紀和 20 世紀，許多杰出的物理學家和工程師致力于揭示湍流的奧秘。盡管湍流無處不在，但理解其潛在機制并準確預測其行為——即使在簡單的場景中——仍然是經典物理學中尚未解決的重大問題之一。湍流研究的動機既在于其固有的機理復雜性，也在于其在科學和工程領域的潛在實際效益。

什么是湍流？

湍流是一種復雜的三維非穩定現象，常見于流體流動中，其特征是混沌和不規則的運動。與層流（流體微團沿平滑有序路徑的運動）不同，湍流的速度、壓力和其他流動特性會發生快速波動。這些波動以隨機方式發生，并可能導致整個流體中形成渦流、渦旋和渦旋型態。

湍流的影響

積極成果

●增強傳熱：湍流改善對流傳熱，從而在熱交換器和暖通空調系統等應用中實現更高效的冷卻或加熱。

●能量耗散：湍流促進流體動能的耗散，有助于抑制振蕩并減輕流體誘導力對結構的影響。

●改善混合性和穩定性：湍流增強混合性，延遲流動分離，從而減少形狀阻力，這在許多工業應用中都大有裨益。

負面后果

●能量損失增加：流體流動系統中的湍流會導致更高的摩擦損失，從而降低整體效率。流體內剪切應力的增加會導致材料疲勞和設備磨損，進一步損害系統性能。

●不可預測：湍流的復雜性使得預測流體行為變得極具挑戰性，阻礙了工程系統的設計和優化。因此，工程師常常難以準確地建模和分析湍流系統。

●不必要的混合：雖然湍流可以增強流體混合，但在需要不同流體層的應用（例如化學反應器）中，這可能是不利的。相反，湍流帶來的混合和對流傳熱的增強會影響熱交換器和熱系統的效率，有時甚至會帶來有益的影響。

●不可控：與層流相比，湍流更難控制和穩定，這給各種流體動力學應用帶來了重大挑戰。湍流固有的不可預測性使得調節流速、溫度和壓力變得更加困難。

●壓力損失：與層流相比，湍流通常會導致更高的壓降，從而增加流體輸送系統的能耗。這會對系統設計和運行產生重大影響。

●振動和疲勞：湍流會誘導浸沒在流體中的結構產生振動，從而導致結構疲勞、潛在損壞以及工程系統中的能耗問題。因此，減輕湍流的影響對于確保這些系統的安全高效運行至關重要。

無序流動結構的特征

湍流系統表現出無序、混沌且看似隨機的行為，因此很難預測其確切結果或型態。由于這些流動對初始條件高度敏感，即使是微小的變化也可能導致截然不同的結果。這意味著，即使是初始條件的微小變化也可能導致截然不同的結果，因此不可能重現完全相同的行為。湍流跨越了極其廣泛的長度和時間尺度，從微小的渦流到巨大的大氣運動。值得注意的是，即使是這些系統中最小的尺度也足夠大，足以滿足連續介質假設，該假設認為流體是連續的，而不是離散的。

湍流的一個標志是由于分子尺度的粘度而表現出增強的擴散（混合）和能量耗散特性。這意味著湍流系統在混合和分散物質以及將動能轉化為熱量方面非常有效。湍流本質上是三維的、隨時間變化的和旋轉的，這與層流不同。具體來說，旋轉的存在是湍流的一個關鍵特征，因為它會導致渦旋和其他復雜結構的形成。另一方面，勢流根據定義是無旋的，因此不可能是湍流。湍流的另一個決定性特征是其間歇性行為，其特點是空間和時間上都會出現一陣劇烈的活動，隨后是一段相對平靜的時期。這種不規則和不均勻的行為反映了復雜的動力學，使得湍流難以建模和預測。

長度和時間的尺度變化

湍流通常有四種主要尺度，分別描述流體運動的不同范圍。這些尺度包括：

●大尺度：此尺度由研究區域的幾何形狀決定，涵蓋流動的整體尺寸和結構。

●積分尺度或外尺度：此尺度約為大尺度的 10-20%。它用于衡量流動中蘊含能量的渦流。

●泰勒微尺度：介于積分尺度和最小尺度之間，此中間尺度屬于柯爾莫哥洛夫慣性子域。它表征了粘度效應開始影響流動的尺度，標志著從慣性范圍到耗散范圍的過渡。

●柯爾莫哥洛夫尺度或內尺度：這是湍流尺度中最小的尺度，表示粘性力占主導地位且能量耗散的尺度。

值得注意的是，其他物理現象發揮重要作用的湍流中，可能涉及到額外的尺度，例如傳熱或燃燒。