什么是湍流(什么是湍流?产生的原因是什么?)

我们在飞行时，经常会听到空 broadcast:“我们的飞机因颠簸而颠簸。请系好安全带，不要离开座位。”很多人会疑惑。湍流到底是什么？

不仅普通人在思考这个问题，科学家们也在寻找答案。湍流曾被称为“经典物理学的最后一个未解难题”，是世界力学界花了300年试图解决的科学难题。

提出了湍流的概念。在中国古代，我们对乱流有了初步的认识，李白的诗《蜀道之难》中有这样的描述:

一千个瀑布一个接一个地向前奔涌，在一万个山谷中发出旋转石头的雷鸣。

漩涡，瀑布，瀑布，瀑布，瀑布，瀑布，瀑布，瀑布，瀑布，瀑布，瀑布，瀑布。水像山谷里的雷声一样撞击和旋转。

在元代王镇的《农书》中，记载了乱流被用来制作水筏:

“它的系统，被选到动荡的一方，木铀，作为第二个轮子；用水刺激车轮。上轮用的线穿过付轮的前鼓，树枝的一侧随之转动。其枝贯穿时，推拉横轴左右攀耳，前方直木来来往往，冶炼甚快，太费人力。”

但是，这些只是对湍流的肤浅理解，因为科学家定义的湍流不仅仅是流动的水，比如大气中的湍流云，火电厂中空处的滚滚浓烟，动脉中流动的血液。

500多年前，列奥纳多·达·芬奇就洞察了湍流的基本特征，并生动地描绘了一幅湍流的素描图像。

然而，直到19世纪，人类才真正理解了湍流。1883年，一位名叫雷诺的科学家对湍流做了一个粗略的定义，湍流被定义为一种蜿蜒的运动。

后来，泰勒和冯·卡门将湍流定义为“湍流是一种不规则的流动，经常发生在流体流过固体表面或同一流体分层流动时”。

到目前为止，科学家们把流量很小，流体分层流动，互不混合的情况称为层流，也称为稳流或层流。但随着流速的逐渐增大，流体的流线开始像波浪一样摆动，摆动的频率和幅度随着流速的增大而增大，这种现象称为过渡流。当速度增加到较高水平时，流线不再清晰可辨，流场出现许多小旋涡，层流被破坏。相邻层间既有滑动又有混合，称为湍流，也称紊流、湍流或湍流。

湍流运动极不规则、极不稳定，各点速度随时间和空随机变化，其结构非常复杂。

现代湍流理论认为湍流是由不同尺度的涡旋组成的。大旋涡的作用是从平均流动中获得能量，这是湍流的产生因素。但是，这种大涡是不稳定的，它不断地分裂成小涡。

雷诺曾经做过一个著名的实验——圆管流实验，演示了流体随着来流速度的增加，从规则流变成无序流。他发现流体的流型不仅与速度(ω)有关，还与管径(D)、流体粘度(μ)和流体密度(ρ)三个因素有关。因此，建议采用雷诺数。这是一个用于识别粘性流体流动状态的无量纲组。

Re=ρvL/μ，ρ和μ为流体密度和动力粘性系数，V和L为流场特征速度和特征长度。

湍流发生在高雷诺数时。雷诺数较小时，粘滞力对流场的影响大于惯性力，流场中速度的扰动会被粘滞力衰减，因此流体流动是稳定的层流。反之，如果雷诺数较大，惯性力对流场的影响大于粘性力，流体流动不稳定，速度的微小变化容易发展和加强，产生无序、不规则的湍流流场。

流动转变时的雷诺数称为临界雷诺数。一般管道雷诺数Re=4000为湍流，Re = 2320 ~ 4000为过渡。

为什么湍流是一个未知问题？湍流是一种大雷诺数的三维非定常流动。它具有随机性、扩散性、耗散性、旋转性、记忆性和间歇现象的特点，运动极不规则。

雷诺数

湍流中任何位置的流体颗粒都向主流方向运动，但在其他方向也有极不规则的脉动。

然而，尽管人类对湍流的特性有了一定的了解，但由于湍流的极端复杂性，经过300年的研究，科学家对湍流的研究并没有取得太大的实质性进展。

科学家们希望了解平流如何逐渐解体为湍流，以及湍流系统的形状是如何演变的。即找到湍流的产生原理和内在机理。然而，科学家在这个问题上从未取得实质性突破。因此被称为“经典物理学的最后一个谜题”。

上面两个是层流，下面两个是湍流。

另外，乱流的存在让原本规则的世界变得混乱，乱流本身的能量流动规律就极其神秘。解释湍流如何耗散流体能量以实现流体安静一直困扰着这位科学家。

以一个简单的粒子，一条平稳流动的河流，作为一个典型的无湍流系统。这条河的每一部分都以同样的速度流动。湍流打破了这一规律，使水流不同部分的运动方向和速度不同。物理学家对湍流的形成是这样描述的:首先在稳定的流动中出现一个旋涡，在这个旋涡中会形成更多的小旋涡。小旋涡进一步分化，使流体分解成许多离散的部分，这些部分在各自的运动方向上与其他部分相互作用。

了解湍流机制成为科学家们一直追求的方向。著名理论物理学家维尔纳·海森堡在临终前曾说:

“当我见到上帝时，我必须问他两个问题——什么是相对论，什么是湍流。我相信他只有第一个问题的答案。”

许多科学家希望可以用纳维尔(1827)-斯托克斯(1845)方程找到答案。

湍流理论的共同基础——NS方程关于湍流的理论和方程很多，但最著名的Navier(1827)-Stokes(1845)方程，也是湍流理论的共同基础，中文翻译为Navier-Stokes方程。是千禧年世界七大难题之一。

1775年，著名数学家欧拉根据无粘性流体运动时(即流体在理想状态下运动，因为所有真实流体都是粘性的)的力和动量变化，推导出一组方程。

方程如下:(AXD+BXD+C) Y = F (X)(只是其中一种形式，还有泛函极值条件的微分表达式等等。).这是无粘流体动力学(理想流体力学)中最重要的基本方程，指的是将牛顿第二定律应用于无粘流体微质量得到的运动微分方程，描述了理想流体的运动规律。奠定了流体力学的理想基础。

1821年，著名工程师纳维德推广了欧拉流体运动方程，考虑了分子间作用力，从而建立了流体平衡和运动的基本方程。该方程只包含一个粘度常数。

1845年，斯托克斯从连续介质模型出发，改进了他的流体动力学运动方程，得到了具有两个粘性常数的粘性流体方程的直角坐标分量形式，后被称为纳维尔-斯托克斯方程。

Navier-Stokes方程可以描述空中流体(液体或气体)的运动。纳维尔-斯托克斯方程的解可用于许多实际领域。例如，它可以用于模拟天气、洋流、管道中的水流、星系中恒星的运动以及翼型周围的气流。它们还可以用于飞机和车辆的设计、血液循环的研究、发电站的设计、污染影响的分析等等。

对Navier-Stokes方程解的理论研究还很不足，特别是Navier-Stokes方程的解往往包含湍流。

1883年，雷诺在圆管流动实验中发现了一个问题。雷诺平均了粘性流体的牛顿方程，即纳维尔(1827)-斯托克斯(1845)方程(1889)。没想到出现了一个比方程个数还多的未知函数，出现了闭合问题，显示了求解N-S方程的极大困难。科学家们都想知道，如果N-S方程的定解条件是光滑的，那么解的光滑性是否会一直保持，或者在有限的时间后是否会出现奇点。

一些研究湍流的科学家，如雷诺、泰勒、冯·卡门、亨茨等，都认为湍流是一种不规则流动，因此自然重视其统计平均特性。而数学家在面对N-S方程时，希望得到完美的解析解。

简单来说，数学家需要更多——他们想确定这组方程是否具有普适性，想精确捕捉流体的瞬时变化(无论初始条件如何)，甚至想定位湍流的起始点。

然而，科学家们还没有找到答案。然而，随着高速电子计算机的应用，各种复杂的湍流模型和计算方法被提出，偏微分方程方法得到了迅速发展。特别是随着超级计算机的发展，湍流的数值计算将会有更大的发展。

除了Navier-Stokes方程，Reynolds后来采用了平均湍流瞬时速度和压力的平均方法，从Navier-Stokes方程推导出湍流平均流场的基本方程——Reynolds方程，奠定了湍流的理论基础。

在上个世纪，科学家们也试图建立湍流的确定性理论。关于湍流如何从层流演化而来的非线性理论，如分叉理论、混沌理论和奇异吸引子。德国的普朗特提出了混合长度模型，建立了边界层理论，而英国的泰勒以理想化的(即实际上很少见的)各向同性湍流为研究对象，提出了一些重要的概念，发展了新的统计方法。

看不见的气体湍流

宇宙中也存在湍流。湍流不仅存在于地球上，而且广泛出现在整个太阳系，甚至太阳系外。它使充斥宇宙的电离气体或等离子体不规则运动。湍流在使太阳大气(日冕加热)达到100万摄氏度的温度(比太阳表面温度高近1000倍)方面发挥了关键作用。

太阳表面产生非常强烈的太阳活动——日珥，就像跳动的鲜红火焰。

湍流还可以调节整个星系的恒星形成，决定我们星系中心超大质量黑洞发出的辐射，调解Tai 空天气对地球的影响。

爱荷华大学物理学和天文学助理教授Gregory House曾经观察到，与地球表面的阵风不同，Tai 空中的湍流运动是由Alfven波(磁化等离子体中沿磁场方向传播的特殊低频电磁波)控制的。在磁场中上下运行的阿尔芬波之间的非线性相互作用是等离子体湍流的基本构件。

几年前，天文学家首次拍摄到银河系恒星间的气体就像一个翻滚的蛇窝。研究人员观察了银河系南部矩形统治者星座的偏振光变化，并拍摄到了壮观的堆叠混乱的卷须状结构，这与翻滚的蛇窝非常相似。由于湍流状态，“蛇巢”区域的气体密度和磁场变化非常迅速。

天文学家首次拍摄到银河系恒星之间的气体类似于翻滚的蛇窝。

澳大利亚科学家布莱恩·加恩斯说:

“目前，我们计划研究穿过银河系的湍流气体，这将最终帮助我们理解为什么银河系的一些区域更热，以及为什么恒星形成于特殊的时期和区域。”

湍流的利与弊虽然人类还没有搞清楚湍流的机理，但这并不妨碍人类利用湍流。

湍流最大的好处是可以强化传递和反应过程。例如在燃烧器中，可采用大速差/偏置射流喷射燃料，通过强剪切产生涡流和湍流，从而延长停留时间，强化混合，提高燃烧效率。

此外，夜间和阴天，大气边界层往往处于稳定的层结状态。只有当足够强的寒流到来时，近地面层的大气才能打破稳定的层结，转为湍流状态，厚重的雾霾才能消失。在燃煤和尾气的严重污染没有得到根本控制之前，我们往往会利用气候来驱散雾霾。

但是，很多时候，湍流对人类的伤害是很大的。

湍流最大的危害是大大增加摩擦阻力和能量损失。会增加飞机、高铁、汽车的阻力，我们的飞机在飞行中会消耗更多的燃油。所以飞机设计师要千方百计减少阻力，降低油耗。

比如采用层流翼型，利用边界层吹吸来延缓转捩，利用仿生原理采用纵向小肋或锯齿状蒙皮，加入聚合物来达到减阻的目的。

总结湍流在我们现在的现实生活中很常见，但是人类到现在也没有搞清楚它的机理，这也让我们对纳维尔-斯托克斯方程有所顾忌。当我们对湍流机制有了更深入的了解，了解了血管中的血液流动和血管堵塞问题，飞行器在流体中的阻塞优化问题，甚至是对湍流对恒星形成影响的宏观探索，就会越来越清晰。

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