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?
香烟产生的层流和湍流.
当层流遇到障碍物时转变为湍流

湍流,也稱為紊流,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,称为湍流,又称为乱流、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

[编辑] 有关湍流的举例

  • 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。

[编辑] 參見

一架飞机机翼顶端产生的涡旋中的湍流
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