層流與湍流

層流:

流體在管內(nèi)流動(dòng)時(shí),其質(zhì)點(diǎn)沿著與管軸平行的方向作平滑直線運(yùn)動(dòng)。此種流動(dòng)稱(chēng)為層流或滯流,亦有稱(chēng)為直線流動(dòng)的。流體的流速在管中心處最大,其近壁處最小。管內(nèi)流體的平均流速與最大流速之比等于0.5,根據(jù)雷諾實(shí)驗(yàn),當(dāng)雷諾準(zhǔn)數(shù)Re<2320時(shí),流體的流動(dòng)狀態(tài)為層流。

  粘性流體的層狀運(yùn)動(dòng)。在這種流動(dòng)中,流體微團(tuán)的軌跡沒(méi)有明顯的不規(guī)則脈動(dòng)。相鄰流體層間只有分子熱運(yùn)動(dòng)造成的動(dòng)量交換。常見(jiàn)的層流有毛細(xì)管或多孔介質(zhì)中的流動(dòng)、軸承潤(rùn)滑膜中的流動(dòng)、繞流物體表面邊界層中的流動(dòng)等。層流只出現(xiàn)在雷諾數(shù)Re(Re=ρUL/μ)較小的情況中,即流體密度ρ、特征速度U和物體特征長(zhǎng)度L都很小,或流體粘度μ很大的情況中。當(dāng)Re超過(guò)某一臨界雷諾數(shù)Recr時(shí),層流因受擾動(dòng)開(kāi)始向不規(guī)則的湍流過(guò)渡,同時(shí)運(yùn)動(dòng)阻力急劇增大。臨界雷諾數(shù)主要取決于流動(dòng)形式。對(duì)于圓管,Recr≈2000,這里特征速度是圓管橫截面上的平均速度,特征長(zhǎng)度是圓管內(nèi)徑。層流遠(yuǎn)比湍流簡(jiǎn)單,其流動(dòng)方程大多有精確解、近似解和數(shù)值解。層流一般比湍流的摩擦阻力小,因而在飛行器或船舶設(shè)計(jì)中,應(yīng)盡量使邊界層流動(dòng)保持層流狀態(tài)。

湍流:

湍流是流體的一種流動(dòng)狀態(tài)。當(dāng)流速很小時(shí),流體分層流動(dòng),互不混合,稱(chēng)為層流,或稱(chēng)為片流;逐漸增加流速,流體的流線開(kāi)始出現(xiàn)波浪狀的擺動(dòng),擺動(dòng)的頻率及振幅隨流速的增加而增加,此種流況稱(chēng)為過(guò)渡流;當(dāng)流速增加到很大時(shí),流線不再清楚可辨,流場(chǎng)中有許多小漩渦,層流被破壞,相鄰流層間不但有滑動(dòng),還有混合。這時(shí)的流體作不規(guī)則運(yùn)動(dòng),有垂直于流管軸線方向的分速度產(chǎn)生,這種運(yùn)動(dòng)稱(chēng)為湍流,又稱(chēng)為亂流、擾流或紊流。

  流體作湍流時(shí),阻力大流量小,能量耗損增加。實(shí)驗(yàn)證明,能量耗損E與速度的關(guān)系為&#9651;E= kv2式中k是比例系數(shù),它與管道的形狀、大小以及管道的材料有關(guān)。式中的v是平均流速。在自然間中,我們常遇到流體作湍流,如江河急流、空氣流動(dòng)、煙囪排煙等都是湍流。

  這種變化可以用雷諾數(shù)來(lái)量化。雷諾數(shù)較小時(shí),黏滯力對(duì)流場(chǎng)的影響大于慣性力,流場(chǎng)中流速的擾動(dòng)會(huì)因黏滯力而衰減,流體流動(dòng)穩(wěn)定,為層流;反之,若雷諾數(shù)較大時(shí),慣性力對(duì)流場(chǎng)的影響大于黏滯力,流體流動(dòng)較不穩(wěn)定,流速的微小變化容易發(fā)展、增強(qiáng),形成紊亂、不規(guī)則的湍流流場(chǎng)。

  流態(tài)轉(zhuǎn)變時(shí)的雷諾數(shù)值稱(chēng)為臨界雷諾數(shù)。一般管道雷諾數(shù)Re<2300為層流狀態(tài),Re>4000為湍流狀態(tài),Re=2300~4000為過(guò)渡狀態(tài)。

  有效地描述湍流的性質(zhì)至今仍然是物理學(xué)中的一個(gè)重大難題。大多數(shù)學(xué)者認(rèn)為應(yīng)該從納維-斯托克斯方程出發(fā)研究湍流。湍流對(duì)很多重大科技問(wèn)題極為重要,因此,近幾十年所采取的做法是針對(duì)具體一類(lèi)現(xiàn)象建立適合它特點(diǎn)的具體的力學(xué)模型。例如,只適用于附體流的湍流模型;只適用于簡(jiǎn)單脫體然后又附體的流動(dòng);只適用于翼剖面尾跡的或者只適用于激波和邊界層相互作用的湍流模型等等。湍流這個(gè)困難而又基本的問(wèn)題,近年來(lái)日益受到了物理學(xué)界的重視。