
湍流现象通常需要满足以下条件:
1. 不稳定性:湍流需要存在不稳定性和扰动,这可以是流体的自发波动或其他外部扰动。
2. 充分发展的惯性力:湍流需要惯性力占据主导地位,这是因为在高雷诺数的流动中,惯性力会比粘性力占优。
3. 高度非线性:湍流涉及高度非线性的物理过程,这使得预测和控制变得复杂。
4. 高维度复杂性:湍流涉及多个空间尺度和时间尺度,这增加了理解和预测的复杂性。
5. 随机性:湍流具有随机性,即使在给定的初始条件下,也无法准确地预测其长期行为。
6. 分形特性:湍流具有分形特性,意味着在各种尺度上都具有复杂的结构。
7. 自相似性:湍流在某些情况下表现出自相似性,这意味着在不同的尺度上,流动的某些特性是相似的。
8. 耗散性:湍流是一种耗散系统,意味着它在运动过程中会损失能量。
9. 涨落现象:湍流中会出现涨落现象,即流动参数(如速度、压力等)在短时间内会发生大幅变化。
10. 多时间尺度:湍流涉及多个时间尺度,从瞬时到长期都有。
这些条件共同导致了湍流现象的复杂性和难以预测性。
在湍流中的流体的各种物理参数,如速度、压力、温度等都随时间与空间发生随机的变化。从物理结构上说,可以把湍流看成是由各种不同尺度的涡旋叠合而成的流动,这些漩涡的大小及旋转轴的方向分布是随机的。大尺度的涡旋主要是有流动的边界条件所决定,其尺寸可以与流场的大小相比拟,是引起低频脉动的原因;小尺度的涡旋主要是有粘性力所决定,其尺寸可能只有流场尺度的千分之一量级,是引起高频脉动的原因。大尺度的涡旋破裂后形成小尺度涡旋。较小尺度的涡旋破裂后形成更小尺度的涡旋。因而在充分发展的湍流区域内,流涕涡旋的尺度可在相当宽的范围内连续地变化。大尺度的涡旋不断地从主流获得能量,通过涡旋间的相互作用,能量组建向小的涡旋传递。最后由于流体粘性的作用,小尺度的涡旋不断消失,机械能就转化(或称为耗散)为流体的热能。同时,由于边界作用、扰动及速度梯度的作用,新的涡旋又不断产生,这就构成了湍流运动。