層流是流體的一種流動(dòng)狀態(tài)

1、層流是流體的一種流動(dòng)狀態(tài)。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)稱為層流或滯流，亦有稱為直線流動(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)引Re<2320寸，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。常見的層流有毛細(xì)管或多孔介質(zhì)中的流動(dòng)、 軸承潤滑膜中的流動(dòng)、繞流物體表面邊界層中的流動(dòng)等。層流和湍流laminar and turbulent flows流體流動(dòng)時(shí)，如果流體質(zhì)點(diǎn)的軌跡（一

2、般說隨初始空間坐標(biāo)x、v、z和時(shí)間t 而變）是有規(guī)則的光滑曲線（最簡(jiǎn)單的情形是直線），這種流動(dòng)叫層流。沒有這 種性質(zhì)的流動(dòng)叫湍流。1959年J欣策曾對(duì)湍流下過這樣的定義：湍流是流體的 不規(guī)則運(yùn)動(dòng)，流場(chǎng)中各種量隨時(shí)間和空間坐標(biāo)發(fā)生紊亂的變化，然而從統(tǒng)計(jì)意義上說，可以得到它們的準(zhǔn)確的平均值。在直彳全為d的直管中，若流體的平均流速為 v,由流體運(yùn)動(dòng)粘度v組成的雷 諾數(shù)有一個(gè)臨界值（大約為23002800） Recr若RevRecr則流動(dòng)是層流，在這 種情況下，一旦發(fā)生小的隨機(jī)擾動(dòng)，隨著時(shí)間的增長(zhǎng)這擾動(dòng)會(huì)逐漸衰減下去；若 Re>Recr層流就不可能存在了，一旦有小擾動(dòng)，擾動(dòng)會(huì)增長(zhǎng)而轉(zhuǎn)變成湍流。O

3、.雷諾 在1883年用玻璃管做試驗(yàn)，區(qū)別出發(fā)生層流或湍流的條件。把試驗(yàn)的流體染色， 可以看到染上顏色的質(zhì)點(diǎn)在層流時(shí)都走直線。當(dāng)雷諾數(shù)超過臨界值Recr時(shí)，可以看到質(zhì)點(diǎn)有隨機(jī)性的混合，在對(duì)時(shí)間和空間來說都有脈動(dòng)時(shí)，就是湍流。不用 統(tǒng)計(jì)、概率論的方法引進(jìn)某種量的平均值就難于描述這一流動(dòng)。除直管中湍流外還有多種多樣各具特點(diǎn)的湍流，雖經(jīng)大量實(shí)驗(yàn)和理論研究，但至今對(duì)湍流尚未建 立起一套統(tǒng)一而完整的理論。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

4、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)困難而又基本的問題，近年來日益受到了物理學(xué)界 的重視。游客紊流的物理定義瀏覽32 次 創(chuàng)建時(shí)間2006-11-08 13:49:49“紊流”是液體力學(xué)中的一個(gè)術(shù)語， 是指流體從一種穩(wěn)定狀態(tài)向另一種穩(wěn)定狀態(tài)變化過程中的一種無序狀態(tài)。具體是指流體流動(dòng)時(shí)各質(zhì)點(diǎn)間的慣性力占主要地位，流體各質(zhì)點(diǎn)不規(guī)則地流動(dòng)。紊流一般相對(duì)“層流”而言。一般用雷諾數(shù)判定。雷諾數(shù)小，意味著流體流動(dòng)時(shí)各質(zhì)點(diǎn)間的粘性力占主要地位，流體各質(zhì)點(diǎn)平行于管路內(nèi)壁有規(guī)則地流動(dòng)，呈層流流動(dòng)狀態(tài)。雷諾數(shù)大，意味著慣性力占主要地位，流體呈

5、紊流流動(dòng)狀態(tài)，一般管道雷諾數(shù)Re< 2000為層流狀態(tài)，Re> 4000為紊流狀態(tài)，Rg 20004000為過渡狀態(tài)。在不同的流動(dòng)狀態(tài)下，流體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律流速的分布等都是不同的，因而管道內(nèi)流體的平均流速與最大流速的比值也是不同的。因此雷諾數(shù)的大小決定了粘性流體的流動(dòng)特性。紊流是流體力學(xué)中的一個(gè)術(shù)語，是指流體從一種穩(wěn)定狀態(tài)向另一種穩(wěn)定狀態(tài)變化過程中的一種無序狀態(tài)。具體是指流體流動(dòng)時(shí)各質(zhì)點(diǎn)間的慣性力占主要地位，流體各質(zhì)點(diǎn)不規(guī)則地流動(dòng)。紊流一般相對(duì)“層流 ”而言。一般用雷諾數(shù)判定。雷諾數(shù)小，意味著流體流動(dòng)時(shí)各質(zhì)點(diǎn)間的粘性力占主要地位，流體各質(zhì)點(diǎn)平行于管路內(nèi)壁有規(guī)則地流動(dòng)，呈層流流動(dòng)狀態(tài)。雷

6、諾數(shù)大，意味著慣性力占主要地位，流體呈紊流流動(dòng)狀態(tài)，一般管道雷諾數(shù)Re < 2000為層流狀態(tài)，Re > 4000為紊流狀態(tài)，Re = 20004000 為過渡狀態(tài)。在不同的流動(dòng)狀態(tài)下，流體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律流速的分布等都是不同的， 因而管道內(nèi)流體的平均流速與最大流速的比值也是不同的。因此雷諾數(shù)的大小決定了粘性流體的流動(dòng)特性。速度、 壓強(qiáng)等物理量在時(shí)間和空間中發(fā)生脈動(dòng)的流體運(yùn)動(dòng)，又稱湍流。紊流的主要特征是：流體質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)極不規(guī)則，流場(chǎng)中各種流動(dòng)參數(shù)的值具有脈動(dòng)現(xiàn)象。由于脈動(dòng)的急劇混摻，流體動(dòng)量、能量、溫度以及含有物的濃度的擴(kuò)散速率較層流為大。紊流是有渦流動(dòng)，并且具有三維特征。1883年，。

7、.雷諾發(fā)表了他觀測(cè)層流及紊流流態(tài)的文章，并于 1894年推導(dǎo)出索流時(shí)均流動(dòng)的基本方程 雷諾方程式。20 世紀(jì) 20 年代以來，發(fā)展了各種半經(jīng)驗(yàn)理論和各種紊流模型，從而對(duì)紊流問題可進(jìn)行定量的分析。從30 年代起，紊流統(tǒng)計(jì)理論，特別是G.I.泰勒的均勻各向同性紊流理論得到了發(fā)展；40年代蘇聯(lián)的A.H.科爾莫戈羅夫提出了局部各向同性紊流理論。50年代中國的周培源對(duì)于均勻各向同性紊流提出了旋渦結(jié)構(gòu)理論； 同時(shí)，紊流的試驗(yàn)研究使人們對(duì)紊流的性質(zhì)也有了進(jìn)一步的了解。60年代以后，氫泡法、高速攝影等量測(cè)技術(shù)的使用更進(jìn)一步揭示了紊流機(jī)理；電子計(jì)算機(jī)的應(yīng)用也使量測(cè)數(shù)據(jù)處理簡(jiǎn)易 化，從而對(duì)紊流的起源、紊流的內(nèi)部結(jié)

8、構(gòu)有了深入的認(rèn)識(shí)。對(duì)壁面紊流的起源提出了猝發(fā)現(xiàn) 象的圖形。但就實(shí)用觀點(diǎn)來說，至今還沒有一個(gè)較為成熟的紊流理論， 許多基本技術(shù)問題還 不能完滿地用紊流理論來解決，主要還是利用半經(jīng)驗(yàn)公式。lulu968313 2009-03-07 18:04:14紊流 流體力學(xué)中現(xiàn)一般稱湍流，航空業(yè)叫紊流。指：雷諾數(shù)較大時(shí)，流體流動(dòng) 出現(xiàn)不穩(wěn)定，形成的紊亂、不規(guī)則的流場(chǎng)。一直在等待小 8 2009-03-14 12:42:58紊流是流體力學(xué)中的一個(gè)術(shù)語， 是指流體從一種穩(wěn)定狀態(tài)向另一種穩(wěn)定狀 態(tài)變化過程中的一種無序狀態(tài)。具體是指流體流動(dòng)時(shí)各質(zhì)點(diǎn)間的慣性力占主要地 位，流體各質(zhì)點(diǎn)不規(guī)則地流動(dòng)。紊流一般相對(duì)層流訕言。

9、一般用雷諾數(shù)判定。雷諾數(shù)小，意味著流體流動(dòng) 時(shí)各質(zhì)點(diǎn)間的粘性力占主要地位，流體各質(zhì)點(diǎn)平行于管路內(nèi)壁有規(guī)則地流動(dòng)， 呈 層流流動(dòng)狀態(tài)。雷諾數(shù)大，意味著慣性力占主要地位，流體呈紊流流動(dòng)狀態(tài)，一 般管道雷諾數(shù)Re < 2000為層流狀態(tài)，Re > 4000為紊流狀態(tài)，Re = 200040 00為過渡狀態(tài)。在不同的流動(dòng)狀態(tài)下，流體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律.流速的分布等都是不 同的，因而管道內(nèi)流體的平均流速與最大流速的比值也是不同的。因此雷諾數(shù)的大小決定了粘性流體的流動(dòng)特性。速度、壓強(qiáng)等物理量在時(shí)間和空間中發(fā)生脈動(dòng)的流體運(yùn)動(dòng)，又稱湍流。紊流的主要特征是：流體質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)極不規(guī)則，流場(chǎng)中各種流動(dòng)參數(shù)的值具有

10、脈動(dòng)現(xiàn)象。 由于脈動(dòng)的急劇混摻，流體動(dòng)量、能量、溫度以及含有物的濃度的擴(kuò)散速率較層流為大。 紊流是有渦流動(dòng)，并且具有三維特征。1883年，。.雷諾發(fā)表了他觀測(cè)層流及紊流流態(tài)的文章，并于 1894年推導(dǎo) 出索流時(shí)均流動(dòng)的基本方程雷諾方程式。20世紀(jì)20年代以來，發(fā)展了各種半經(jīng)驗(yàn)理論和各種紊流模型，從而對(duì)紊流問題可進(jìn)行定量的分析。從30 年代起，紊流統(tǒng)計(jì)理論，特別是G.I.泰勒的均勻各向同性紊流理論得到了發(fā)展；40年代蘇聯(lián)的A.H.科爾莫戈羅夫提出了局部各向同性紊流理論。 50 年代中國的周培源對(duì)于均勻各向同性紊流提出了旋渦結(jié)構(gòu)理論；同時(shí)，紊流的試驗(yàn)研究使人們對(duì)紊流的性質(zhì)也有了進(jìn)一步的了解。60

11、年代以后，氫泡法、高速攝影等量測(cè)技術(shù)的使用更進(jìn)一步揭示了紊流機(jī)理；電子計(jì)算機(jī)的應(yīng)用也使量測(cè)數(shù)據(jù)處理簡(jiǎn)易化，從而對(duì)紊流的起源、 紊流的內(nèi)部結(jié)構(gòu)有了深入的認(rèn)識(shí)。對(duì)壁面紊流的起源提出了猝發(fā)現(xiàn)象的圖形。但就實(shí)用觀點(diǎn)來說，至今還沒有一個(gè)較為成熟的紊流理論，許多基本技術(shù)問題還不能完滿地用紊流理論來解決，主要還是利用半經(jīng)驗(yàn)公式。紊流按其流動(dòng)特點(diǎn)可分為：各向同性均勻紊流，是一種假想的紊流模型，其紊動(dòng)特征（如紊動(dòng)強(qiáng)度）在各空間點(diǎn)是一樣的（均勻性），在各方向也是一樣的（各向同性）。在這種紊流中沒有流速梯度，因而沒有剪切應(yīng)力。局部各向同性紊流是只考慮小尺度渦旋為各向同性的一種紊流模型。剪切紊流，是指有時(shí)均流速梯度，

12、因而有剪切應(yīng)力的紊流，它又可分為自由紊流（紊動(dòng)發(fā)展不受固體壁面限制）和壁面紊流（流速梯度是由固體邊壁引起的）。研究紊流可從理論和實(shí)驗(yàn)兩個(gè)方面來進(jìn)行。紊流理論層流穩(wěn)定性問題和充分發(fā)展的紊流特性問題是紊流理論中重要的內(nèi)容。層流穩(wěn)定性問題層流對(duì)外來的各種擾動(dòng)均具有一定的抑制能力，這種能力稱為流動(dòng)的穩(wěn)定性。 流體的慣性使擾動(dòng)擴(kuò)大，但流體的粘性則抑制擾動(dòng)，故流動(dòng)的穩(wěn)定性隨雷諾數(shù)的增大而減弱。層流開始轉(zhuǎn)變?yōu)槲闪鞯睦字Z數(shù)稱為臨界雷諾數(shù)。小擾動(dòng)法是分析流動(dòng)穩(wěn)定性的一個(gè)重要理論。在多數(shù)情況下，壁面剪切流中的擾動(dòng)逐漸增長(zhǎng)，使流動(dòng)失穩(wěn)而形成紊流斑，最后形成紊流。紊流基本方程組對(duì)于充分發(fā)展的紊流特性的研究，大多數(shù)學(xué)者

13、還是由納維斯托克斯方程式出發(fā)，將式中各量表示成為時(shí)均量與脈動(dòng)量之和（參見雷諾方程式），對(duì)該式取時(shí)間平均后可得（ 1）該式與納維-斯托克斯方程的差別在于式中多了雷諾應(yīng)力產(chǎn)U' UF各項(xiàng)；這是一種紊動(dòng)交換所形成的“表觀應(yīng)力 ”，是個(gè)未知量，因而使由雷諾方程及連續(xù)方程組成的方程組無法封閉，故紊流理論中的一個(gè)中心問題是尋求使方程組封閉的途徑。目前，一種是利用半經(jīng)驗(yàn)理論來建立雷諾應(yīng)力與時(shí)均流速的關(guān)系，而不增加基本方程的數(shù)目；另一種是建立新的紊流模型，增加方程式的數(shù)目，而使方程組封閉。紊流的半經(jīng)驗(yàn)理論最早的半經(jīng)驗(yàn)理論是J.V.布森涅斯克于1877年提出來的紊動(dòng)粘滯系數(shù)概念及渦粘滯模型理論。1925

14、年，L.普朗特提出了混合長(zhǎng)度理論。他認(rèn)為紊動(dòng)質(zhì)團(tuán)要運(yùn)行一定距離后才和周圍流體摻混并失去原有的特征，在這段距離內(nèi)，質(zhì)團(tuán)保持其原有特征。他稱這段距離為混合長(zhǎng)度1。假設(shè)：（ 2）式中，U 為脈動(dòng)流速；u 為時(shí)均流速；腳標(biāo)i、 j 表示互相垂直的兩個(gè)方向，因此（ 3）假定在自由紊流中，1 在橫斷面上是個(gè)常數(shù)并與所論斷面的混合長(zhǎng)度成正比。在壁面紊流中，1=kxj,此處xj為距壁面的法向距離，k稱為卡門常數(shù)，當(dāng)k0.4時(shí),理論結(jié)果與實(shí)測(cè)資料吻合較好。1915年G.I.泰勒提出了渦旋傳遞理論，其要點(diǎn)是把渦量作為一個(gè)可以傳遞的星， 在脈動(dòng)流速的作用下，具有渦量的流體質(zhì)團(tuán)要運(yùn)行一定距離后，其渦量才發(fā)生變化，而在

15、這段距離1w 之內(nèi)渦量為常數(shù)；他所得到的雷諾應(yīng)力表示式為（ 4）一般情況下，1 w= KnXj,實(shí)測(cè)表明可取k0.21930 年， T.von 卡門提出了紊動(dòng)局部相似假說，他假定：除緊靠壁面區(qū)域外，紊動(dòng)的機(jī)理和流體的粘性無關(guān)，在統(tǒng)計(jì)意義上，脈動(dòng)流速場(chǎng)各點(diǎn)附近的局部范圍內(nèi)是彼此相似的，相互間只有長(zhǎng)度和時(shí)間的尺度不同。由這兩點(diǎn)出發(fā)，他得出混合長(zhǎng)紊流的統(tǒng)計(jì)理論除可由納維斯托克斯方程出發(fā)研究紊流以外，還可以用處理隨機(jī)現(xiàn)象的統(tǒng)計(jì)方法來研究紊流。G.I.泰勒最早應(yīng)用此法，他于1921年提出了同一空間點(diǎn)不同時(shí)刻脈動(dòng)流速的相關(guān)概念，并稱其為拉格朗日相關(guān)或自相關(guān)。1935 年他又提出了同一時(shí)刻不同空間點(diǎn)脈動(dòng)流速

16、相關(guān)的概念，也稱為歐拉相關(guān)或互相關(guān)。這兩個(gè)相關(guān)系數(shù)分別表示如下：自相關(guān)系數(shù)式中， i、 j 可以為同一點(diǎn)的兩個(gè)不同方向，也可以是不同點(diǎn)的兩個(gè)不同方向或相同方向。除了上述脈動(dòng)流速間的二階相關(guān)以外，還有脈動(dòng)流速與脈動(dòng)壓強(qiáng)間的相關(guān)和脈動(dòng)流速的三階相關(guān)等。對(duì)紊流脈動(dòng)量間進(jìn)行相關(guān)分析，建立以相關(guān)張量表示的運(yùn)動(dòng)微分方程后求解，目前這種途徑只限于對(duì)均勻各向同性紊流的研究中，取得了一定成果。脈動(dòng)量的概率分布也是紊流運(yùn)動(dòng)的一個(gè)特性。在均勻紊流里，脈動(dòng)流速的概率分布接近于正態(tài)分布；但在剪切紊流里，則其概率分布常常不是正態(tài)分布，越靠近進(jìn)壁或越靠近自由紊流的邊緣，越偏離正態(tài)分布。為了更準(zhǔn)確地表示出脈動(dòng)量概率分布特性，

17、有時(shí)還需研究脈動(dòng)量的三階矩（偏斜度）和四階矩（峰態(tài)參數(shù)）。在統(tǒng)計(jì)理論中，另一個(gè)重要的組成部分是能譜分析。自60 年代起，由于流動(dòng)顯示與量測(cè)技術(shù)的進(jìn)步，人們發(fā)現(xiàn)可把紊流看作是由許多尺度大小不同的渦旋組成的流動(dòng)。大渦從時(shí)均流動(dòng)中取得能量，逐級(jí)向小渦傳遞，最后通過粘性作用而耗散。大小不同的渦旋引起不同頻率（域波數(shù)）的脈動(dòng)，所以，可按頻率（或波數(shù)）將紊流中的脈動(dòng)能量分解，而求得各種頻率（或波數(shù)）的渦所具有的脈動(dòng)能量的分布，稱其為頻譜（或波譜）或稱為紊流能譜。脈動(dòng)流速 的-維能譜密度E i（n）可 表示為式中，n為每單位時(shí)間內(nèi)脈動(dòng)的次數(shù)，稱頻率； RE（t）為自相關(guān)系數(shù)。一維 能譜易于出現(xiàn)混淆現(xiàn)象，故有

18、時(shí)采用三維能譜。以波數(shù) k為變量的能譜曲線如圖所示。能譜曲線示意圖紊流的數(shù)值計(jì)算 為了尋求雷諾方程及連續(xù)方程的封閉，考慮因素愈來愈多 的各種紊流模型相繼出現(xiàn)。高速、大容量電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展，使紊流基本方程的數(shù)值計(jì) 算工作有了很大的進(jìn)展。紊流的實(shí)驗(yàn)研究 主要內(nèi)容是觀察紊流現(xiàn)象和測(cè)定各種紊流參數(shù)。 觀察現(xiàn)象 通常所用的手段有紋影法、干涉法、染色法、氫泡法等。近年來激光干涉法及全息攝影 技術(shù)也得到了廣泛的使用。至于數(shù)據(jù)處理方面，現(xiàn)在可用實(shí)時(shí)頻譜儀，x-y坐標(biāo)儀等，在量測(cè)的同時(shí)給出有關(guān)紊流的頻譜、相關(guān)函數(shù)、概率密度等數(shù)據(jù)。自由射流-射流流體經(jīng)小孔、縫隙或管子等的引導(dǎo)，射入較大流體空間的流動(dòng)現(xiàn)象。 這是化工生 產(chǎn)中常見的流動(dòng)型式，如煙氣經(jīng)煙囪排入大氣就是射流。 射流進(jìn)入靜止的與之互 溶的流體中，這種射流稱為自由射流，是射流最簡(jiǎn)單的情況。實(shí)際應(yīng)用的射流比 較復(fù)雜，當(dāng)周圍流體也是運(yùn)動(dòng)流體時(shí)，稱周圍流體為外流體。若外流體與射流流 體作同向運(yùn)動(dòng)，則稱為伴隨射流：兩者反方向時(shí)，稱為逆流射流；互成一定角度 時(shí)，稱為傾斜射流；射流與周圍流體密度不同時(shí)，稱為異密度射流；射流沿著空 間壁面發(fā)展時(shí)，稱為固壁射流；射流路程上存在某種障礙物時(shí)，稱為撞擊射流；射 流中夾帶微粒時(shí)，稱為