層流與湍流

層流:

流體在管內(nèi)流動時,其質(zhì)點沿著與管軸平行的方向作平滑直線運(yùn)動。此種流動稱為層流或滯流,亦有稱為直線流動的。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)雷諾實驗,當(dāng)雷諾準(zhǔn)數(shù)Re<2320時,流體的流動狀態(tài)為層流。

  粘性流體的層狀運(yùn)動。在這種流動中,流體微團(tuán)的軌跡沒有明顯的不規(guī)則脈動。相鄰流體層間只有分子熱運(yùn)動造成的動量交換。常見的層流有毛細(xì)管或多孔介質(zhì)中的流動、軸承潤滑膜中的流動、繞流物體表面邊界層中的流動等。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和物體特征長度L都很小,或流體粘度μ很大的情況中。當(dāng)Re超過某一臨界雷諾數(shù)Recr時,層流因受擾動開始向不規(guī)則的湍流過渡,同時運(yùn)動阻力急劇增大。臨界雷諾數(shù)主要取決于流動形式。對于圓管,Recr≈2000,這里特征速度是圓管橫截面上的平均速度,特征長度是圓管內(nèi)徑。層流遠(yuǎn)比湍流簡單,其流動方程大多有精確解、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)計中,應(yīng)盡量使邊界層流動保持層流狀態(tài)。

湍流:

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

  流體作湍流時,阻力大流量小,能量耗損增加。實驗證明,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、煙囪排煙等都是湍流。

  這種變化可以用雷諾數(shù)來量化。雷諾數(shù)較小時,黏滯力對流場的影響大于慣性力,流場中流速的擾動會因黏滯力而衰減,流體流動穩(wěn)定,為層流;反之,若雷諾數(shù)較大時,慣性力對流場的影響大于黏滯力,流體流動較不穩(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。

  流態(tài)轉(zhuǎn)變時的雷諾數(shù)值稱為臨界雷諾數(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。湍流對很多重大科技問題極為重要,因此,近幾十年所采取的做法是針對具體一類現(xiàn)象建立適合它特點的具體的力學(xué)模型。例如,只適用于附體流的湍流模型;只適用于簡單脫體然后又附體的流動;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。湍流這個困難而又基本的問題,近年來日益受到了物理學(xué)界的重視。