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1.2.4 层流和湍流

流体的流动状态通常可以分为 层流 湍流 两种类型。同一个系统中,由于流体流速的不同,会出现层流或湍流。层流状态转变为湍流状态称为转捩。可以用平板上的流体流动来说明,如图1-3所示,高速流体在平板上接触到平板前部,会形成一个层流区域,再经过一个过渡区以后,流动开始转变为湍流,并最终完全转变为湍流。

图1-3 平板上的流体流动

1.层流

层流表现为流体质点无横向运动,互不混杂、层次分明地流动。流体质点的轨迹表现为规则的光滑曲线。典型的低速圆柱绕流的层流流动如图1-4所示。

图1-4 典型的低速圆柱绕流的层流流动

2.湍流

湍流表现为流体流动不再层次分明,可能向各个方向流动,同时可能出现漩涡。湍流中流体微团做无规则的、复杂的非稳态运动。在工程中,湍流的出现意味着系统可能出现更多的能量消耗和更大的噪声。

3.雷诺数

雷诺数是惯性力与黏性力的比值度量,可以用来判断系统中流体的流动状态是层流还是湍流或过渡流。用来判断流动状态的临界雷诺数在不同流体系统中会有不同的数值。对于管内流动,当雷诺数 Re 在2300左右时,流动通常转变为湍流状态。

总而言之,在低雷诺数下,流动表现为层流,流动中黏性力占主导;在高雷诺数下,流动表现为湍流,流动中惯性力占主导。流体由层流向湍流过渡的雷诺数,称为 临界雷诺数 。其中流体由层流向湍流转变的雷诺数为 上临界雷诺数 ,反之为 下临界雷诺数 。试验表明上临界雷诺数会随着试验条件在一定范围内变化,下临界雷诺数则相当稳定。所以通常用下临界雷诺数作为判别流态的依据。雷诺数的计算公式为

式中, ρ 是流体密度; v 是流体流动速度; L 是流体系统特征长度(如方管边长、管道内径等); μ 是流体动力黏度。 VUMXUrQbNWnKLaH82s+ec1LfelJecpJFXvNC4do7LH9xozxg0habjQaDOr36uCF3

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