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Talk about shear stress in turbu

Talk about shear stress in turbu

作者: 李彪_哈工大 | 来源:发表于2018-08-17 06:15 被阅读0次

湍流中剪应力或雷诺剪应力(Reynolds shear stress, 源于Reynolds提出的湍流时均处理方法)

shear stress 是stress中的剪切分量,即i,j部分;相应的i,i部分是正应力。
Wiki里的定义: the Reynolds stress is the component of the total stress tensor in a fluid obtained from the averaging operation over the Navier–Stokes equations to account for turbulent fluctuations in fluid momentum.

基本的表达形式

包含密度后的Reynolds stress单位就是应力的形式,但为了简便,不带rho的表达形式也是主流理解,只是单位是速度的平方,但名字不变,还是叫雷诺应力。

针对Reynolds shear stress它平均值为负,所以使用对平均值<u'w'>取负,以保证应力为正。为人熟知的是湍流的基本特征,用象限图表示,指出这是湍流猝发时的主要流动现象,是数值模拟和实验结果发现的一种现象,即脉动速度由2、4象限主导,从而导致平均流动为负。其中第四象限代表边界层高速流体的下扫(sweep)运动,第二象限代表边界层低速流体的抬升(ejection)过程[Refs:1,2]

image.png Wallace JM, ARFM, 2016

本文对其物理机理做简单说明,供参考,需要强调一点,在实际计算中,正负还会受到个人所采用的坐标系影响,特别是三维情况下,左右手坐标系会导致雷诺应力正负的差异。基本物理模型如下图,发生在边界层流动中


湍流边界层流动

在边界层流动中,在湍流涡旋作用下,流体会发生mixing的过程。瞬时速度(u1,w1)和(u2,w2)两点分别发生在t1时刻和t2时刻,流动过程的驱动因素为脉动速度(u',w')。因为2时刻流体微团靠近主流,有u2>u1。
假设t2后发生,即t2 > t1
则该过程用雷诺平均的思想,mixing过程使初始(u1,w1)的流体微团,在t2时刻到达2位置,具备脉动(u',w'),于是可表达为u1=u2+u',w1=w2+w'。因为u2 > u1,则有u' < 0;此时,运动方向向上,则有w' > 0。于是u'w' < 0, 处于第二象限,是ejection flow。

假设t1后发生,即t1 > t2
则相应初始(u2,w2)的流体微团,在t1时刻到达1位置与状态,具备脉动(u',w'),于是可表达为u2=u1+u',w2=w1+w'。因为u2 > u1,则有u' > 0;此时,运动方向向下,则有w' < 0。于是u'w' < 0, 处于第二象限,是sweep flow。

Refs:
[1] Nagano Y,Tagawa M. Statistical Characteristics of Wall Turbulence with a Passive Scalar[J]. Journal of Fluid Mechanics, 1988, 196: 157-185.
[2] Wallace JM. Quadrant Analysis in Turbulence Research: History and Evolution[J]. Annual Review of Fluid Mechanics, 2016, 48: 131-158.

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