各向同性湍流，是一種最簡單的理想化湍流，其中時間平均湍流量（u一樣有效值）具有在每個位置相同的值。另一方面均相流是其中的湍流量在任何給定位置都在所有方向是相同的。（例如：U均方根= V RMS）
各向同性的標度指數在所有方向上都相同。
基本介紹
- 中文名：各向同性湍流
- 外文名：isotropic turbulence
作用,發展史,
作用
均勻各向同性湍流的重要性在於：現有湍流統計理論的成果絕大部分都是建立在均勻各向同性的假設之上得到的。其包含兩層含義：均勻性和各向同性。前者是指湍流場的統計平均量以及與其相關的性質與空間位置無關，及坐標系平移不改變平均值函式；後者則表示湍流的統計平均性質與空間的方向無關，在坐標系的任意旋轉與反射下，平均值函式保持不變。即：
1、它是各向同性的，這意味著湍流的統計特性是獨立的空間方向。
2、它是均勻的，這意味著湍流的統計特性是獨立的空間位置的。
流體力學家把湍流定義為一個連續的不規則流動或者一個連續的不穩定狀態。例如, 在紊亂的空氣或河流里, 流體任何一點的運動速度和方向，是不斷地和不規則地變化著，而流體卻沿著固定的方向繼續流動，湍流在平穩的層流中的發展演化是一個連續的過程，起初的一個或幾個不穩定會激起湍流，它繼續增強直到更高程度的不穩定, 最後完全發展成湍流—發達湍流。
大氣運動受到地球自轉的影響，需要計入科里奧利(Coriolis)力的作用， 又由於大氣的狀態(氣壓場、密度場、溫度場等)隨離地面的高度不同而有變化， 具有分層的特點， 因此， 必須考慮重力的影響。 此外，當N-S方程無量綱化之後， 在方程中就會無例外的出現一個重要的特徵數，它決定了流動的整體性質， 這就是雷諾數Re(Re=UL/v)， 它由特徵速度U，特徵尺度L和運動黏性係數v(ν=1.5×10−5m2/s)共同確定。特徵速度U，特徵尺度L是氣體的流動狀態和所處空間環境的度量， 由於大氣的分子運動黏性係數很小，就使得雷諾數Re很大， 一般在106以上， 可見大氣處於湍流狀態是一種常態。即大氣湍流是一種充分發展的湍流(或發達湍， Full Developed Turbulence)。均勻各向同性湍流研究的是遠小於特徵尺度L的充分發展的湍流(但它保留了湍流質量、能量和動量輸運的基本屬性)。
在湍流的統計理論中，大氣中的晴空湍流，風洞中格柵後面核心工作區的流動狀態,，都可以看作是均勻各向同性湍流。
充分發展的理論湍流通常在一個理想化的均勻，並認為各向同性狀態。真正的湍流表現出各向異性迫使效果。
理論上，各向同性湍流是一種最簡單的湍流，便於做理論和數值上的研究。實際上，嚴格意義上的各向同性湍流幾乎不存在。研究有兩個意義：1）各向同性湍流具有湍流質量、能量輸運的基本屬性，這些性質對於研究一般湍流十分重要；2）雖然嚴格意義上的各向同性湍流並不存在，但是遠離海面、海岸和海底的浩瀚海洋（大洋內區）中的湍流可以近似為各向同性的。自20世紀40年代蘇聯科學家Kolmogorov(1941）提出局部各向同性湍流的概念及其普適湍動能譜，開創了對小尺度湍流脈動一般性質的研究。
柯爾莫果洛夫認定湍能級串過程是一個連續輸送過程，大渦從外界得到的非均勻各向同性，在一代代、一級級地往小尺度湍渦輸送過程中被消磨掉，最後可以得到均勻各向同性的小渦。柯爾莫果洛夫從這個物理模型中得到了唯一決定慣性子區間湍渦統計結構的物理因子‘一湍能耗散率。。從此出發，人們用量綱分析法就不難得到小尺度湍渦結構函式的2/3定律，以及一維湍譜或標量場湍譜的一5/3定律。
下面這幅圖顯示了高雷諾數下均勻各向同性湍流中“渦量擬能”的等值曲面，其中色彩的變化反映了壓力在這些曲面上的分布情況。雖然這是一種理想的湍流運動形式，此時流體在任意位置、向任何方向的運動都具有相同的統計特性，比如這裡提到的渦量擬能（它是流體角速度的平方）。但是流動結構是複雜紛亂的，這表明了湍流在空間尺度上的複雜性和隨機性。為了計算這種流體運動，需要把圖中的正方體盒子分成大小相等的511×511×511個小格子，然後採用高精度的偽譜方法對這個盒子裡面的流體運動做計算機模擬。在這個圖示里，混亂分布的渦量擬能柱狀結構看起來沒有什麼規律可循，但是如果長時間觀察這些結構（它們會不斷產生變化，比如扭曲、纏繞、產生或者消失）並對它們不斷變化的數值做平均，就會發現渦量擬能統計平均值在盒子中任何位置都是相等的。
湍流結構圖示發展史
在湍流研究的初期, 就出現了兩位大科學家，即以德國的普朗特和英國的泰勒為代表的研究團隊，各自在不同的方向上開展了研究。前者注重實際的流體力學問題，提出混合長理論，建立了邊界層理論，成績斐然；而後者則是以理想化的(也就是實際上並不多見的)各向同性湍流作為研究對象，提出了一些重要的概念，發展了新的統計方法，同樣也取得了重要的科學成就。 兩位科學家根據自己的知識背景和興趣，也根據對問題的理解，確定了他們的研究內容，在研究中體現了他們本人各自的風格。
