湍流模型(1)——湍流的统计描述

湍流是一种随机的、非定常的、混沌的不规则流动状态,内部是无数形状和尺度不同的漩涡。湍流的高度复杂性使得描述流体粒子的运动变得异常困难,因此研究者们转而使用统计学的方法。如下图所示,将湍流的瞬时量u(t)分解为定常量U和瞬时扰动量的和,即 u ( t ) = U + u ′ ( t ) , u(t)=U+u^\prime(t), u(t)=U+u(t),
这种描述方式就是雷诺分解(Reynolds decomposition)。上式中的 u u u不仅指速度分量,可以代表湍流的其他特征量,如压力 p p p等。
湍流模型(1)——湍流的统计描述_第1张图片
在雷诺分解的基础上,根据统计学理论就可以得出一堆湍流统计量:
时间平均/均值(time average/mean)
流动特征量 ϕ \phi ϕ的时间平均定义为
ϕ ˉ = Φ = 1 Δ t ∫ 0 Δ t ϕ ( t ) d t \bar \phi = \Phi=\frac{1}{\Delta t}\int^{\Delta t}_{0} \phi(t)dt ϕˉ=Φ=Δt10Δtϕ(t)dt
上式中的 Δ t \Delta t Δt理论上应该是趋于无穷的,因为毕竟是统计量,小样本就没有统计价值了。其实只要满足 Δ t \Delta t Δt大于 ϕ \phi ϕ的周期的时间尺度,上式定义的均值就是有意义的。
扰动量 ϕ ′ \phi^\prime ϕ的时间平均恒等于0,定义如下,
ϕ ˉ ′ = 1 Δ t ∫ 0 Δ t ϕ ′ ( t ) d t ≡ 0 \bar{\phi}^\prime = \frac{1}{\Delta t} \int ^{\Delta t} _{0} \phi ^\prime (t)dt \equiv 0 ϕˉ=Δt10Δtϕ(t)dt0
所以, ϕ = Φ + ϕ ′ \phi = \Phi + \phi ^\prime ϕ=Φ+ϕ

以下统计量主要对于扰动分量而言:
方差(Variance)
( ϕ ′ ) 2 ‾ = 1 Δ t ( ϕ ′ ) 2 d t \overline{(\phi ^\prime)^2} = \frac{1}{\Delta t} (\phi ^\prime)^2 dt (ϕ)2=Δt1(ϕ)2dt
均方根(r.m.s)
ϕ r m s = ( ϕ ′ ) 2 ‾ = [ 1 Δ ∫ 0 Δ t ( ϕ ′ ) 2 d t ] 1 / 2 \phi _{rms} = \sqrt{\overline{(\phi ^\prime)^2}}=[\frac{1}{\Delta} \int^{\Delta t}_{0} (\phi ^\prime)^2 dt]^{1/2} ϕrms=(ϕ)2 =[Δ10Δt(ϕ)2dt]1/2
统计矩(moment)
对于变量 ϕ = Φ + ϕ ′ \phi = \Phi + \phi ^\prime ϕ=Φ+ϕ ψ = Ψ + ψ ′ \psi = \Psi + \psi ^\prime ψ=Ψ+ψ,其扰动量的二阶矩定义为
ϕ ′ ψ ′ ‾ = 1 Δ t ∫ 0 Δ t ϕ ′ ψ ′ d t \overline{\phi ^\prime \psi ^\prime} = \frac{1}{\Delta t} \int^{\Delta t}_{0} \phi ^\prime \psi ^\prime dt ϕψ=Δt10Δtϕψdt

高阶矩(higher-order moment)
( ϕ ′ ) 3 ‾ = 1 Δ t ∫ 0 Δ t ( ϕ ′ ) 3 d t \overline{(\phi ^\prime)^3} = \frac{1}{\Delta t} \int^{\Delta t}_{0} (\phi ^\prime)^3 dt (ϕ)3=Δt10Δt(ϕ)3dt
( ϕ ′ ) 4 ‾ = 1 Δ t ∫ 0 Δ t ( ϕ ′ ) 4 d t \overline{(\phi ^\prime)^4} = \frac{1}{\Delta t} \int^{\Delta t}_{0} (\phi ^\prime)^4 dt (ϕ)4=Δt10Δt(ϕ)4dt

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