普朗特混合长理论

更新时间:2022-08-25 12:27

用平均场量来表示由湍流所产生的物理量的输送量的方法,称之为混合长理论。这个理论是由普朗特(Prandtle)提出的,因此也称为普朗特混合长理论(Prandtl mixing-length theory),其中所用的参数 l' 称为混合长,它相当于气体分子理论中的平均自由程

定义

用平均场量来表示由湍流所产生的物理量的输送量的方法,称之为混合长理论。这个理论是由普朗特(Prandtle)提出的,因此也称为普朗特混合长理论(Prandtle mixing-length theory)。

理论提出背景

混合长理论是最早提出来的并得到广泛应用的一种参数化方法。混合长的概念是将湍涡运动和分子不规则运动相类比而引入的。分子运动具有随机性,运动着的分子在和其它分子碰撞之前,其具有的能量和动量保持不变,经过一次碰撞,这些量才发生显著的改变。两次碰撞之间分子所走的距离称为分子的自由路径。所以分子运动论认为,分子经过一个自由路径才与其它分子发生“混合”,把能量动量,“输送”给其它分子。

湍涡是由许多空气微团组成的,湍涡运动的不规性和分子运动相类似。湍涡的混合作用将引起物理属性的输送,这一过程也和分子对能量、动量的输送有相似之处。

理论的假定

在混合长理论中有如下假定:

(1)和分子一样,湍涡在运动的起始高度上具有该高度上的平均物理属性;

(2)在湍流运动中存在一个混合长,湍涡移动一个混合长后才与四周混合,在此以前其具有的物理属性保持不变(守恒)。

以上假定认为:湍流对物理属性的输送过程和分子经过一个自由路径将动量、能量输送给其它分子的过程是一样的,故湍涡运动的混合长概念和分子运动的自由路径相类似。

利用混合长理论,可以将脉动值和平均值联系起来。但混合长还是未知的,故仍须用半经验半理论的方法来确定它。

缺陷

混合长理论具有一些带原则性的缺点。

首先,该理论中假设了湍涡混合过程是一个不连续过程,而实际过程并不是这样的,湍涡在运动过程中将不断和周围空气交换质量,逐渐失去它原有的物理属性,所以混合长概念缺乏可靠的物理基础,混合长是一个难以确定的量应该是意料之中的。

其次,假定湍涡从起始高度开始移动时携带该高度上的平均属性值,这也是不合理的。

当把混合长理论用在动量输送过程时,还存在另外一个问题,即动量不是一个守恒量,在气压梯度力和分子黏性力作用下,它将随时间改变。

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