湍流

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未解決的物理學問題能否建構一個理論模型來描述亂流的行為,特別是它的內部結構? Question mark2.svg
当层流遇到障碍物时转变为湍流

湍流英语turbulence),也稱為紊流(大陆地区的旧称),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,或称为片糖;逐渐增加流速,流体的流线开始出现波波状的摆动,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,称为湍流,又称为乱流(日本及港澳台用字)、扰流或紊流。

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。临界雷诺数与流场的参考尺寸有密切关系。一般管道流雷诺数Re<2100为层流状态,Re>4000为湍流状态,Re=2100~4000为过渡状态。

在管路设计中,湍流比层流需要更高的泵输出功率。而在热交换器或者反应器设计中,湍流反而有利于热传递或者充分混合.

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。

潜水艇船体上方的层流和湍流

大气流动产生的湍流[编辑]

大气湍流按成因分为“风暴湍流”和“晴空湍流”。前者由空气受热产生的强上升气流所致,因常发于风暴等上升气流旺盛的天气而得名。后者则是由于空气流动时不同气团交汇而成。风暴可由气象雷达预警,而“晴空湍流”由于缺乏征兆而较易发生意外。[1]

有关湍流的举例[编辑]

  • 香烟产生的烟。在最初的几厘米,烟的流场是层流,随着热空气的向上加速,烟就开始变得不稳定形成了湍流。与此类似,空气中污染的扩散就是由湍流主宰的。
  • F1赛车高速转弯时,前车尾部造成的湍流使后车前定风翼下压力损失约30%。如果距离前车太近,会造成转向不足。
  • 环绕高尔夫球的流动。(更好的理解是根据相对运动原理,假设高尔夫球不动,气体绕其流动。)表面粗糙的高尔夫球,流动的边界层分离点要比光滑表面的高尔夫球边界层分离点靠后。
  • 乘坐飞机常常会听到乘务员甜美的声音提示您飞机遇到湍流,请繫好安全带。有时湍流(特别是晴空湍流)可能会导致飞机上的人员受伤,[1][2][3]但少部分心理质素不佳的空姐大惊小怪时,[4]请不用惊慌,大部分情况下飞行员都能很好对付在湍流中飞行的情况,并且记得繫好安全带。

參見[编辑]

一架飞机机翼顶端产生的涡旋中的湍流

参考[编辑]

  1. ^ 1.0 1.1 湍流会让飞机失事吗?,《Slate》杂志,译言网,鬼马老精灵翻译,2012-06-16。(简体中文)
  2. ^ 美国一客机遇湍流 乘务员和推车被抛向空中,凤凰网财经,2009年。(简体中文)
  3. ^ 飞机的“隐形杀手”——晴空湍流,湖北安全生产信息网,2010-7-14。(简体中文)
  4. ^ 飛機突遇湍流 空姐竟帶頭尖叫"墜機",人民网国际,2006年。(繁体中文)