第七章 紊流对流换热

7—1 紊流模型

在推导紊流时均值的雷诺方程时，紊流动量方程中包含了速度脉动量（二维流动时为

ρ2、ρ2、ρ、），这就使得未知量的数目多于方程式的数目，所以必须引入紊流模

型，提出一些半经验公式，才能使求解成为可能。虽然已有许多学者对紊流模型进行了较长时间的研究并获得了一定的进展，但对总体求解仍远未能得到满意的结果。 一、紊流特性

描述紊流流动的总体特性有：紊流强度、紊流尺度、粘性的作用和紊流边界层的结构。 1、 紊流强度

流体在紊流流动时，在各个方向上存在脉动速度，而各个方向上速度脉动量的大小可以衡量紊流流动的强度，在假设的情况下，紊流强度可定义为

J=

12

(+2+2)3

（7－1）

在边界层内、管内流动、自由剪切层或网格后的紊流强度约在5～10％的范围内。 2、 紊流尺度

紊流流场中存在着大小不同的旋转着的流体微团，这些流体微团的平均直径就是“紊流尺度”。大气流中的紊流尺度可以达到几米，而通过细小网格后的流体的流动，其紊流尺度大致与网格尺寸相当。

用热线风速仪可以测量到一个指示紊流尺度的参数，可以测量出同一瞬间不同位置上两

′和u′点的脉动速度u12，若以y表示位置变量，则紊流尺度参数表示为

R(y)=

12′u1

2

′u2

2

（7－2）

取y=0时其值为1，且随着y的增长R(y)→0。这样紊流脉动及漩涡的平均尺度可定义为 L=

∫

∞

R(y)dy （7－3）

当然，也可用x作为位置变量，或用不同的速度分量来组成，紊流脉动与旋涡的长度尺度肯定对传热有重要影响，即在一定的紊流强度下，尺度较大的旋涡所具有的能量高于尺度较小的旋涡所具有的能量。

3、 粘性的作用

由于流体的粘性耗散，使得流体微团运动时的动能转变为热能。所以，要维持稳定的紊流，就必须不断地对流体补充能量。紊流都存在于剪切流动中，如流体绕过壁面的流动、自由射流等，移动较快的漩涡带动移动较慢的漩涡，这样就补充了流体由于粘性耗散而失去的能量。在一个不存在剪切速度梯度的流动中，若为紊流，则紊流必产生于上游的剪切流中，由于得不到能量的补充，紊流必将在下游消失。因此，粘性的作用实际上是抑制紊流的产生，而惯性力的作用正好相反，是推动紊流的产生。惯性力和粘性力之比就是雷诺数Re。

由层流边界层转变为紊流边界层的转折点，可用临界雷诺数Rec来判断，如流体掠过