1、工程流体力学动力与能源工程学院工程流体力学Engineering Fluid Mechanics第 5章 管内粘性流动与阻力5.1 层流与湍流一、雷诺实验实验表明，粘性流体运动有两种不同的形态，即层流与湍流。1883年，英国物理学家 Reynolds进行了一系列圆管内粘性流体运动的实验（不同圆管直径，不同的粘性流体，不同的流量，不同的平均速度）。实验装置如下图所示。第 5章 管内粘性流动与阻力HEUJ&F 2Osborne Reynolds(1842-1916)工程流体力学Engineering Fluid MechanicsHEUJ&F 35.1 层流与湍流工程流体力学Engineering
2、 Fluid Mechanics当流速较低时，不论来流或外界的扰动多大，我们看到的是一条平行于管壁的光滑的有色流体线。流体呈层状流动，称为层流状态。当流速增加到某值时，看到的是一条振荡的有色流体线，但它并不破散。从整体看，流动仍然处于稳定状态。它是一种过渡状态。当流速增加到一定程度时，有色流体细束突然破裂成许多运动的小旋涡，向外扩散，很快消失不见了，管内整个流体蒙上一层淡薄的颜色。 各部分流体相互剧烈掺混，流体质点的迹线杂乱无章，流场呈现极不稳定的随机性质，称为湍流或紊流。HEUJ&F 45.1 层流与湍流工程流体力学Engineering Fluid Mechanics 5.1 层流与湍流H
3、EUJ&F 5两根测压管中的液面高差为两断面间的沿程水头损失。速度由小变大，层流 湍流；上临界流速湍流运动层流运动 流态不稳速度由大变小，湍流 层流；下临界流速工程流体力学Engineering Fluid Mechanics 5.1 层流与湍流HEUJ&F 6雷诺发现，出现湍流状态的条件取决于组合量式中为 流体密度， V为管内平均流速， D为圆管直径，为流体的动力粘性系数。 Re称为雷诺数。实验证明，当管径或流体介质不同时，下临界速度不同，但下临界雷诺数却是一个比较固定的数，其值约为 2000 。而上临界雷诺数也不稳定。所以，下临界雷诺数可以用来判别流态。雷诺实验的重要性在于： 二、雷诺实验
4、的量纲分析（ 1）揭示了粘性流体运动存在着两种截然不同的形态，即层流和湍流； （ 2）发现了区别粘性流体运动处于层流还是湍流形态的唯一的参数是 Re数。 工程流体力学Engineering Fluid Mechanics三、层流与湍流的特点5.1 层流与湍流HEUJ&F 71. 层流与湍流的区别层流运动中，流体层与层之间互不混杂，无动量交换。湍流运动中，流体层与层之间互相混杂，动量交换强烈。2. 层流向湍流的过渡 与涡体形成有关3. 涡体的形成并不一定能形成湍流工程流体力学Engineering Fluid Mechanics4. 雷诺数的物理意义惯性力主导：会形成湍流粘性力主导：不会形成湍流
5、在层流运动中，流体质点作互不混杂的有规则的运动。而在湍流运动中，流体质点作 彼此混杂、互相碰撞和穿插的无规则运动 ，并有 涡体 产生。因此，流体质点在经过流场中的某一位置时其运动要素都是随时间变化的，并且毫无规律，这样的流体运动，牛顿内摩擦定律不能适用。并且由于湍流运动的复杂性，要找出它的规律还很难。目前所用的都是一些经验和半经验的公式。5.1 层流与湍流HEUJ&F 8工程流体力学Engineering Fluid Mechanics 5.1 层流与湍流HEUJ&F 9湍流发生的机理十分复杂，下面给出一种粗浅的描述。层流流动的稳定性丧失（雷诺数达到临界雷诺数）扰动使某流层发生微小的波动 流速使波动幅度加剧在横向压差与切应力的综合作用下形成旋涡 旋涡受升力而升降引起流体层之间的掺混造成新的扰动四、湍流发生的机理工程流体力学Engineering Fluid Mechanics 5.1 层流与湍流HEUJ&F 10五、脉动现象和时均化的概念1.脉动湍流中，流体质点经过空间某一固定点时，速度、压力等总是随时间变化的，而且毫无规律，这种现象称为脉动现象。2.时均化对某点的长时间观察发现，尽管每一时刻速度等参数的大小和方向都在变化，但它都是围绕某一个平均值上下波动。于是流体质点的瞬时值就可以看成是这个平均值与脉动值之和。
