湍流

湍流（ Turbulent Flow ），在时间和空间上极不规则的流体运动。流体运动的基本状态之一。1883年，英国力学家O.雷诺在管流实验中通过流动显示和测量压力发现湍流现象。当流体速度增加或流体黏度变小时，流体运动会从流线分明、规则、具有抛物形速度廓线的状态，转变为流线模糊、混乱、具有更丰满速度廓线的状态。大气和江河湖海中以及工业流动中，湍流比比皆是，它对流动控制中减小阻力，增强混合，加速扩散，降低噪声有决定性影响。基于这一现象的普遍性和深刻的科学和工程意义，所以雷诺实验是流体力学史上的重大发现。进一步的研究认识到决定流动状态的参数是代表惯性力与黏性力比值的雷诺数。若流动的雷诺数超过了临界值，流动便会从层流变为湍流。圆管内流动的临界雷诺数为2 300。湍流的研究已有100多年的历史，并已有布辛涅斯克涡黏性假设、普朗特混合长度理论和卡门相似理论求解一些典型的实际流动问题的方法，但由于运动规律复杂，计算量大，实验测量困难，对其本质的认识仍是流体力学中最棘手的难题。研究完全发展的湍流有如下几种不同的理论方法：

湍流统计理论

湍流运动虽然是随机的，但统计行为是完全确定的。可将瞬时量进行时间或系综平均，称瞬时量与平均量之差为脉动量，这样湍流的统计行为便可用相关矩、方差、偏度、峭度、能谱来描述。1895年，雷诺导出平均运动的方程，20世纪30年代G.I.泰勒等引进湍流的统计描述，并获得谱空间的基本方程。40年代科尔莫戈罗夫提出了均匀各向同性湍流能谱的标度律。周培源导出了相关量的微分方程。因湍流运动将偏离正态分布，研究概率密度分布函数也是湍流统计理论的研究范畴。依靠直接数值模拟研究了均匀各向同性湍流的间歇性问题，发现湍流也有各种涡结构，并对科尔莫戈罗夫标度率作进一步深入研究。

相干结构理论

湍流运动并非是完全无规则的，而是有各种类型的湍流结构。F.克莱因和罗歇科实际观测到了这种结构，如管流中的喷噗、栓塞、边界层的猝发、尾迹流动中的大涡结构与流向涡、湍流斑、自由剪切层的涡的配对及合并等。由于相干结构控制了流动中动量、质量和能量的输运，所以研究湍流相干结构有重大意义。相干结构研究经历了条件采样、相平均、适当正交分解、直接数值模拟等几个研究阶段，无限维动力系统的理论在湍流研究中得到了应用。用相干结构控制湍流有广泛的应用前景。

数值计算及实验观测

由于计算流体力学的进展，20世纪70年代以来，用各种途径封闭纳维–斯托克斯方程的湍流工程模式理论的发展已相当成熟，并开发出商业软件。另外，由于高性能计算机的出现，通过空间滤波分辨一定尺度涡的大涡模拟方法得到广泛应用，可模拟非定常湍流，也更为普适。由于需要对小尺度涡进行模拟，揭示不同尺度涡间的相互作用仍是最关键的问题，预计20年内大涡模拟方法将可用于计算非定常复杂湍流流动，并解决实际工程问题。直接求解纳维–斯托克斯方程还只能停留在低雷诺数的模型问题，主要用于湍流机理研究。湍流的实验观测在湍流研究中占有重要地位。湍流测量往往用压力、温度、速度的传感器获得瞬时的时间序列，从而得到统计行为。热线是常用的速度传感器，还有激光多普勒测速仪。流动显示技术可观察到直观的流动图像和湍流相干结构。湍流测量技术的发展使瞬时全流场物理量的测量成为现实。湍流理论及应用仍将是21世纪流体力学和物理学的重要研究课题。