层流与湍流的区别
同一种流体可以有两种截然不同的流动方式。层流中,流体沿平滑的平行流层滑动,中间最快,几乎不混合; 湍流中,流体翻滚着穿过管道,卷出杂乱的涡旋,混合强烈,摩擦损失也更大。 这幅并列图解同时展示两种流动以及它们各自的速度剖面。
同一种流体可以有两种截然不同的流动方式。层流中,流体沿平滑的平行流层滑动,中间最快,几乎不混合; 湍流中,流体翻滚着穿过管道,卷出杂乱的涡旋,混合强烈,摩擦损失也更大。 这幅并列图解同时展示两种流动以及它们各自的速度剖面。
流过管道的流体可以有两种截然不同的组织方式。层流中,流体沿平滑、互不相交的平行流层滑动,彼此不混合。中间那层走得最快,贴壁的流层几乎不动,形成整齐的抛物线形速度剖面。左侧蓝色面板展示了这一点:笔直的流线和尖峰状的剖面。
湍流中,运动是杂乱的。翻滚的涡旋形成,流体从中间涌向管壁又折返,整股水流都在翻腾。右侧橙色面板用起伏的流线和旋转的螺旋展示了这一点,它的速度剖面要扁平得多。
每个面板都有一段管道、三条流线和一个小小的速度箭头。左侧流线笔直、间距均匀,剖面曲线是一条高高的抛物线——中间快、贴壁慢。右侧流线上下起伏,小圆圈标出涡旋,剖面被压得很扁,因为混合把高速流体带到了管壁附近。
湍流要把同样的流量推过管道,消耗的能量高得多,所以追求效率时工程师常把设计瞄准层流。但湍流在混合热量、物质和动量方面极其出色,因此燃烧、化学反应器和换热器反而需要它。判断流动处于哪种状态,几乎是每一项流体计算的第一步。
先让流体慢慢地流过管道。流体紧贴着管壁(无滑移),所以最外层几乎不动,而中间走得最快。
低速时,流体组织成平滑、互不相交的平行流层。这就是层流:流线笔直,几乎没有混合,速度剖面是一条干净的、在中间达到峰值的抛物线。
这时加大推力、加宽管道,或换用更稀薄的流体。相邻流层之间的速度差变大,流动变得不稳定——微小的扰动不再衰减,反而开始增长。
原本笔直的流层开始起伏,接着卷成翻滚的涡旋。这些涡旋让流体既沿管道前进、又横穿管道,把快慢不同的流体搅在一起。
速度足够高时,运动变得完全杂乱、细节上不可预测。混合很强,速度剖面被抹平,而由于涡旋以及管壁处速度的急剧变化,摩擦损失急剧上升。
层流中流体沿平滑、互不相交的平行流层滑动,中间那层速度最快。湍流中运动是杂乱的:会形成翻滚的涡旋,流层彼此混合,流体不但沿管道前进,还横穿管道上下翻滚。
主要因素是流速、管径以及流体的黏度和密度。流速越快、管道越宽、流体越稀薄,平滑的流层就越不稳定,先开始晃动,再破碎成涡旋。
它是一个用来比较的数字:一边是推动流动的力量(流速和管径),另一边是流体抵抗被搅动的能力(黏度)。数值低表示层流,数值高表示湍流,中间有一段过渡区间。
翻滚的涡旋把中间的高速流体带到管壁附近,又把慢速流体带回中间。这种混合把速度剖面抹平,因此靠近管壁的流体比层流时走得更快。
湍流损失更多。杂乱的涡旋以及紧贴管壁处速度的急剧变化会带来大得多的摩擦,所以同样要把定量流体推过去,湍流管道需要更高的压力。
在缓慢、稳定的流动中:水沿着细管慢慢渗流或水龙头缓缓滴水,最细小的毛细血管里的血液,以及经过精心设计、拉出平滑平行水流的装饰喷泉。