什么是湍流？

流体的一个最典型特征是，它们不是刚性的，而是在固体物体内部和周围流动。当流体中的颗粒开始垂直于主导或平均的流动方向移动，并在方向、流速和压力上出现混乱变化时，就会发生湍流。这种垂直的、通常是圆形的运动被称为涡流或旋涡，它与颗粒彼此平行移动的层流形成了鲜明对比。 

当液体或气体的动能产生的惯性力超过流体的粘性力时，层流会转变为湍流。湍流是混乱的，无法使用一组确定性方程进行定义。因此，工程师改为采用统计方法来预测其高度不规则的行为。 

由于湍流的混乱性质，流体力学科学使用统计方法来表征和预测由湍流引起的流体速度、速度波动和压力波动。这种表征，从被称为雷诺数的无量纲量开始。然后，其他方程可捕获对于设计或计算湍流有用的其他行为。

预测湍流：雷诺数

Osborne Reynolds在1883年发表了一篇论文，描述了简单管道中从层流到湍流的转变。论文中的数据表明，内部力和粘性力之间的比值可以帮助预测湍流发生的可能性。这个无量纲比值，就被称为雷诺数（Reynolds number）。

用于确定雷诺数的方程为：

一般来说，雷诺数较低的流体保持为层流，因为它们缺乏所需的动能来将流体运动中的任何不稳定性转换为垂直于平均流动方向的流动。当流速或密度相对于流动粘度增加时，更可能发生湍流。 

湍流的4个重要特征

工程师、物理学家和化学家必须考虑的其他重要的湍流特征包括： 

1.波动和涡流

湍流的一个重要指标是波动，即速度大小和方向与平均速度大小和方向的变化。当波动呈现旋转的圆形运动时，它们被称为涡流。流动中的这些变化驱动了流体的速度矢量压力和温度变化，也影响了化学反应中的动能和混合以及作用在结构上的剪切载荷。 

2.耗散

产生湍流的动能通过粘性剪切应力转换为内部能。大涡流中的能量级联成剪切力较大的较小涡流，而这些较小的涡流会进一步级联成剪切力更大的更小涡流。随着涡流越变越小，动能会作为粘性能进行耗散。 

3.动能和粘性能

湍流中的动能是每单位体积的动能量，它代表流动中湍流速度波动的平均能量。由于内部摩擦，流体中的粘性力会将部分动能转化为热量，这些转化的热量被称为粘性能。 

4.质量、动量和能量传输

从事流体力学研究的工程师或科学家都希望了解他们所研究的流体流动中的质量、动量和能量传递，这对于湍流特别重要，因为其会影响所有传输行为的速率。这种传输也可以称为湍流扩散。 

工程师使用计算流体力学（CFD）来预测湍流的行为。该数值方法将流态分解为单元，并使用流体能量、质量和动量守恒的控制方程来计算每个单元中的速度、压力、密度和温度。 

CFD软件解决方案，如Ansys Fluent流体仿真软件和Ansys CFX CFD软件等，可通过首先确定流体何时从层流转变为湍流来预测湍流。当湍流存在时，求解器使用各种简化方程来计算湍流引起的速度、压力、温度和涡流。 

工程师可以对混合不同材料或极其复杂的多物理场模型进行相对简单的流动仿真，其中包括层流和湍流对光学、热和结构性能的影响。在选择湍流模型之前，成功的关键是准确捕获几何结构，建立正确的边界条件和约束条件，定义材料属性，并应用恰当的数学模型。当工程师需要预测湍流时，这些模型通常由两类简化方程组成。

湍流雷诺平均纳维-斯托克斯（RANS）模型

第一类湍流建模方程是RANS模型。该方法将流量分解为平均流量和波动分量。RANS模型使用经验研究来估算湍流行为。一些更常用的RANS模型如下：

• Salart-Almaras（SA）模型：这是求解单个传递方程的简单模型。它通常用于外部流，尤其是在空气动力学中，并且是一种低雷诺数模型。 
• 双方程模型：工程师使用包含两个传输方程的一系列模型。双方程可以用于对湍流能和对流的扩散等历史效应进行建模。第一个传输变量可确定湍流中的动能，第二个传输变量表示湍流的长度或时间尺度。通用的双方程模型包括广义k-⍵（GEKO）、基线（BSL）、剪切应力传输（SST）和K-epsilon（k-ε）等。这些模型可以单独使用，也可以结合使用，它们最常用于工业应用。 

面向湍流的尺度求解仿真（SRS）模型

第二类湍流建模方程是尺度求解仿真模型，它不求解湍流流体随时间变化的平均值，而是求解随时间和空间变化的湍流流体流动。大多数的SRS应用都会采用大涡模拟（LES）模型，用于求解较大涡旋，同时对较小涡流进行单独建模处理。 

LES模型现已经过一段时间的改进和验证。然而，它们需要更长的求解时间和更大的数值模型，因此，直到计算机性能近期实现了改进，它们才会得到如此频繁的使用。与RANS模型相比，LES模型需要更多的网格单元、更长的运行时间。算力的提高，尤其是GPU的使用，有助于通过各种SRS/RANS混合模型将SRS模型用于工业流程，包括：

• 尺度自适应仿真（SAS）
• 分离涡仿真（DES）
• 阻尼分离涡流仿真（SDES）
• 应力混合涡流仿真（SBES）
• 嵌入式大涡仿真（ELES）

从人体内的血液流动到计算机的冷却和空中飞行的飞机，湍流都会影响流体穿过系统的方式，流体与接触的固体的相互作用方式，以及化学反应和传热。一些设计经过了优化，可以保持层流并避免湍流。但在一些其他情况下，湍流也有好处。工程师和科学家通过研究流体力学来了解湍流，以便管理湍流并在设计中考虑其影响。 

湍流的一个重要特征是，它会增强流体的混合。这种质量传输可提高扩散速率，加速化学反应，并增强流体内部的传热。在燃气轮机的燃烧和冷却中，湍流有助于实现更高效的燃烧并改善涡轮叶片的内部冷却。混合搅拌应用也会利用湍流来加速材料的组合或更快地溶解颗粒。 

在另一个应用领域，血流的示例可以很好地说明湍流是如何导致问题的。血液中涡流引起的剪切应力可能导致血栓形成，在血液中形成凝块，并阻挡流动。空气动力学设计的一个重要部分是利用湍流来延迟流动分离，以减少阻力，即在存在不利压力梯度的区域引入湍流以延迟流动分离，同时在湍流会增加阻力的区域减少湍流。湍流引起的大涡流也会产生噪声或对结构施加压力载荷。因此，建筑物和桥梁设计工程师，就需要考虑结构周围湍流中产生的涡流所引起的压力载荷。 

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