层流和湍流
2008-09-18 14:02阅读:
层流:
流体在
管内
流动时,其质点沿着与管轴平行的方向作平滑直线运动。此种流动称为
层流或
滞流,亦有称为直线流动的。流体的
流速在管中心处最大,其近壁处最小。管内流体的平均流速与最大流速之比等于0.5,根据
雷诺实验,当雷诺准数Re<2320时,流体的流动
状态为层流。
粘性流体的层状运动。在这种流动中,流体微团的
轨迹
没有明显的不规则
脉动。相邻流体层间只有分子
热运动造成的动量交换。常见的层流有
毛细管或
多孔介质中的流动、轴承润滑膜中的流动、绕流物体表面边界层中的流动等。层流只出现在
雷诺数Re(Re=ρUL/μ)较小的情况中,即流体密度ρ、特征速度U和物体特征长度L都很小,或流体粘度μ很大的情况中。当Re超过某一临界雷诺数Recr时,层流因受
扰动开始向不规则的
湍流过渡,同时运动
阻力急剧增大。临界雷诺数主要取决于流动形式。对于圆管,Recr≈2000,这里特征速度是圆管横截面上的平均速度,特征长度是圆管
内径。层流远比湍流简单,其流动方程大多有精确解、近似解和数值解。层流一般比湍流的摩擦阻力小,因而在
飞行器或
船舶设计中,应尽量使
边界层流动保持层流状态。
湍流:
湍流是
流体的一种流动状态。当流速很小时,流体分层流动,互不混合,称为
层流,或称为片流;逐渐增加流速,流体的流线开始出现波浪状的
摆动,摆动的
频率及
振幅随流速的增加而增加,此种流况称为过渡流;当流速增加到很大时,流线不再清楚可辨,流场中有许多小漩涡,层流被破坏,相邻流层间不但有滑动,还有混合。这时的流体作不规则运动,有垂直于流管轴线方向的分速度产生,这种运动称为湍流,又称为乱流、扰流或紊流。
流体作湍流时,阻力大流量小,能量耗损增加。实验证明,能量耗损E与速度的关系为
△ E= kv2
式中k是比例系数,它与管道的形状、大小以及管道的材料有关。式中的v是平均流速。在自然间中,我们常遇到流体作湍流,如江河急流、空气流动、烟囱排烟等都是湍流。
这种变化可以用雷诺数来量化。
雷诺数较小时,黏滞力对流场的影响大于
惯性力,流场中流速的扰动会因黏滞力而衰减,流体流动稳定,为层流;反之,若雷诺数较大时,惯性力对流场的影响大于
黏滞力,流体流动较不稳定,流速的微小变化容易发展、增强,形成紊乱、不规则的湍流流场。
流态转变时的雷诺数值称为临界雷诺数。一般管道雷诺数Re<2300为层流状态,Re>4000为湍流状态,Re=2300~4000为过渡状态。
有效地描述湍流的性质至今仍然是
物理学中的一个重大难题。
注:右图为当层流遇到障碍物时转变为湍流