浅谈紊流边界层问题

摘 要：紊流问题是河流动力学的基本问题，也就是水科学中的公认难题。文章查阅国内外大量研究资料就紊流边界层问题进行研究与探讨。

关键词：紊流；边界层；水工建筑物

Abstract： The problem of turbulence is the basic problem of river dynamics， which is a recognized problem in water science. In this paper， a large number of research on turbulent boundary layer are studied and discussed.

Keywords： turbulence；boundary layer；hydraulic structure

在流体流动时，当流体流速很小时，流体会分层流动，各层之间互相独立，该流动状态称为层流；而在流速逐渐增大的过程中，流体的流线开始摆动，摆动的频率及振幅基本随流速的增加而增大，此种流况就称为过渡流；当流速增加大到一定程度时，流体的流线基本消失，流场中会出现许多小漩涡，该流动状态称为紊流。其广泛存在于我们周围的自然界及生活中，因此，对流体紊流特性的认识对研究水利工程的我们具有重要意义。近年来，随着科学技术的发展，虽然各大高校的研究学者关于紊流的研究逐渐增多，逐渐深入，已经取得了很大进步，并解决了各类工程中的许多难题，但由于紊流运动的机理及其性质的复杂性，使得还有许多问题仍尚未解决。因此，对紊流的研究仍是水利工程相关专业尚未解决的最重要的研究问题之一。

1 边界层理论

1883年雷诺通过圆管试验揭示了流体流动时的两种不同流动型态，并得出结论：雷诺数是判别流动型态的准数，并于1894年推导出雷诺方程式[1]。根据该雷诺方程式可知，若雷诺数不断增加，则粘滞性对液流作用就会不断减小，惯性对液流的作用就会不断增加。也就意味着在粘性流体流动中，惯性力和粘性力这两种力的结果决定液流的流动状态。对于雷诺数较小的情况下，粘性力远大于惯性力时，流体运动产生的是层流，而对于雷诺数较大的情况，惯性力远大于粘性力起主要作用，则流体的运动状态为紊流。普朗特根据大雷诺数流动的特点提出设想：把整个流动区域分为两个区域来研究，在管壁附近的一薄层中，由于流速梯度很大，必须考虑粘性作用，并把该薄层称为边界层；而薄层（边界层）以外的区域则可以忽略粘性作用，近似看作是理想的流动区域[2]。

2 研究方法

随着计算机在现代科技时展的普遍应用，数值模拟在紊流的研究方法中也得到重视，逐渐成为主要研究方法之一。现有的数值模拟方法主要有：直接数值模拟、大涡数值模拟及雷诺平均模拟[3]。直接数值模拟是直接采用数值计算求解流动方程，但其计算量太大，耗时耗力。目前直接数值模拟主要用来计算雷诺数较低的简单紊流运动。雷诺平均模拟在工程中被广泛应用，需对流体收集平均数据，根据数据建立模型，缺点是只能提供该紊流的平均信息。大涡数值模拟是目前最为热门的紊流数值模拟研究方法，该方法可以模拟较大雷诺数值的紊流运动和相对较为复杂的紊流运动，对空间分辨率的要求远小于直接数值模拟，并且相对比雷诺平均模拟方法可以获得更多的紊流运动的相关信息。

3 水工建筑物紊流边界层研究的现状及存在的问题

自1904年普朗特（L.Prandtl）提出边界层概念，该理论在近代流体力学史中起到重要作用。该理论广泛应用于航空、航天、航海、化学工程、水利工程以及气象学、环境科学等各个方面，并且在应用过程中使其又不断的得到了充实和提高，能够在处理实用问题时充分提供分析的理论基础。

虽然当代水利工程的科研发展速度很快，但目前相关水工建筑物中的紊流边界层问题所展开的研究依然很少，对相关试验资料的分析也还不够深入，未能形成系统的研究成果，水工建筑物中的边界层还有很多需要深入研究的问题。例如，凹曲率造成的势流区速度梯度和边界层中的流速梯度对水头损失和切应力分布等方面的影响既有区e又有联系；反弧后流速分布的均匀化以至形成所谓二次边界层都是目前尚不明确的问题[4]。还有质量力对于边界层的影响，这主要包括重力及离心力的影响问题。此外，模型模拟问题更是有待研究的重要问题。在模型量测中，在坝面水流中，要同时满足原型与模型之间外部水流的动力相似与边界层水流的动力相似，是非常困难的，要使模型水流能预演原型水流，目前还是没有很好的途径，很难做到的。所以在紊流相关的模型模拟试验中所得到的数据也与实际流体流动略有差异，存在一定的误差，从而不能更精准的分析。

参考文献

[1]王洁.各向同性紊流的试验研究及应用[D].重庆：重庆交通大学，2015.

[2]Michael ManHart.A study on turbulence modulation via an analysis of turbulence anisotropy_invariants[J].Science China，2010，53（3）：508-513.

[3]肖洋.光滑壁面明渠紊流边界层拟结构试验研究[D].南京：河海大学，2002.

[4]周树堂.动静压浮环轴承紊流特性基础研究[D].河南：郑州大学，2010.

作者简介：张月（1992-），女，辽宁朝阳人，研究生，主要研究方向：水利水运工程规划与管理。