仿真笔记——解读CFD中的湍流模型

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德国物理大师沃纳·海森堡曾经说过：“我要带两个问题去问上帝，一个是广义相对论，一个是湍流。我估计第一个问题是有答案的。”由此可见，湍流的研究不仅仅具有挑战性，更多的是未知性。

湍流

湍流是流体的一种流动状态。当流速很小时，流体分层流动，互不混合，称为层流，也称为稳流或片流；逐渐增加流速，流体的流线开始出现波浪状的摆动，摆动的频率及振幅随流速的增加而增加，此种流况称为过渡流；当流速增加到很大时，流线不再清楚可辨，流场中有许多小漩涡，层流被破坏，相邻流层间不但有滑动，还有混合。这时的流体作不规则运动，有垂直于流管轴线方向的分速度产生，这种运动称为湍流，又称为乱流、扰流或紊流。

大气湍流

大气湍流运动中伴随着能量、动量、物质的传递和交换，传递速度远远大于层流，因此湍流中的扩散、剪切应力和能量传递也大得多。所以，大气湍流对飞行器的飞行性能、结构载荷、飞行安全的影响很大。飞机在大气湍流中飞行时会产生颠簸，影响乘员的舒适程度，还会造成飞机的疲劳损伤。

飞机上我们经常听到这么一段广播：“女士们、先生们，我们的飞机遇有不稳定气流，将会持续不断地颠簸，请您全程系好安全带，空中服务将会暂停，卫生间已经关闭。在卫生间的旅客请您回到座位上坐好……”

这非一般地感觉

时至今日，飞机的性能已经大幅提升。现代商用飞机的能够抵御的湍流强度，比过去40年中遇到的最强湍流都要强1.5倍。因此，研究不同气候模式和变暖情景下的湍流变化，从而建立定量化的湍流模型十分重要。

CFD

CFD是英文Computational Fluid Dynamics（计算流体动力学）的简称，它是伴随着计算机技术、数值计算技术的发展而来的。简单地说，CFD相当于"虚拟"地在计算机做实验，用以模拟仿真实际的流体流动情况。而其基本原理则是数值求解控制流体流动的微分方程，得出流体流动的流场在连续区域上的离散分布，从而近似模拟流体流动情况。湍流是一种非常复杂的三维非稳态、带旋转的不规则流动。目前CFD中，湍流的分析研究是困难最多的，同时也是最热门的领域之一。