[分享] 层流和湍流怎么区分和定义

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由于实际流体都具有粘性，当实际流体在管道内流动时，一般有两种流动状态，一为层流流动，一为揣流流动。这是两种性质截然不同的流动状态。层流流动时，管内流体分层流动，各流层之间互不混杂而平行于管道轴线流动，流层间没有流体质点的相互交换O流体通过一段管道的压力阵与流量成正比。湍流流动时，管内流体不再分层流动，流体质点除沿管道轴线方向运动外，还有剧烈的径向运动，流体通过一段管道的压力降与流量的平方成正比。判断管内流动是层流流动还是揣流流动的判据是一个无量纲数一一雷诺数Re。它实际上是流体流动时惯性力和粘性力的比值。其数学定义式为式中， u是流体的平均流速(m/s)； l是流束的特征尺寸(m)；ν是工作状态下流体的运动粘度(m2/s)；η是流体的动力粘度 (Pa

1883年，英国物理学家雷诺通过大量的实验发现，流体存在着两种不同的流动状态：层流和紊流（又称为湍流）。

运动流体依据流动速度、流体密度和流动发生的底床粗糙程度会显示两种流动形态。染色实验显示，将一股染色的细小水流注入缓慢流动的单向水流中，细小水流会保持平直、连贯、宽度近于不变的运动轨迹，这种类型的运动称为层流（laminar flow）。它可被看做是一系列平行的层或细线，称为流线（streamline）。流线会在物体上方弯曲，但从不相交（图2-2）。层流仅以很慢的速度出现在平坦的底床之上。如果流速增加或流体的黏度减小，染色的水流不再连贯而被断开并强烈扭曲。它以一系列不断变化和变形的块体形式流动，并且存在大量的垂直于主流向的水流；也就是说，流线以极其复杂的方式交混，这种类型的流动称为紊流（turbulent flow）。因此，紊流是流体一种不规则和随机的流动形态。高度紊乱的流体称为涡流（eddy）。

图2-2 层流与紊流图解

实验证明，随着水流流速加大，层流可以转变为紊流；反之，随着水流流速减小，紊流也可以转变为层流，这种流体形态转变时的平均流速（v）称为临界流速（vK）。雷诺通过实验表明，流动形态不仅与流速有关，还与流体的黏滞系数（μ，动力黏滞系数，单位为Pa·s；ν，运动黏滞系数，单位为m2/s）和密度（ρ），以及流体所通过的管道直径（d）有关。v、ρ、d愈大就愈易转变为紊流，μ或ν愈大则愈不易转变为紊流。而且还发现，临界流速也是随ρ、μ（ν）、d值的不同而变化，因此临界流速不便作为流态的判别准则。但雷诺还发现，不论ρ、μ、d如何变化，流动形态转变时的vKdρ/μ或vKd/ν值却比较固定，而且是一个无量纲数。将平均流速（v）、管道直径（d）、黏滞系数（μ或ν）和密度（ρ）归纳为一个无量纲数，称为雷诺数（Reynolds number，Re），即

沉积学原理（第二版）

在管道条件下：ReK），其对应的是临界流速（vK）；Re>2320为紊流。

值得注意的是，在明渠条件下，层流与紊流的雷诺数值范围与管道条件不同（即临界雷诺数不等于2320）。它应该用水力半径（R）代替管道直径（d）来计算临界雷诺数，因R=d/4，所以明渠流的临界雷诺数（ReK）约为500。层流、临界流和紊流的基本特征见表2-2。

表2-2 层流、临界流、紊流的基本特征

流体质点的向上运动减慢了沉积颗粒的下降速率，因此减慢了它们的沉积速率；同时，流体紊流更有利于流体从沉积物底床上侵蚀和搬运颗粒；紊流抵抗形变的能力要大于层流。

当黏滞力占主导时，就像在高密度的泥流中，雷诺数很小，流动属层流。非常慢的流速或浅的水流也会产生低的雷诺数与层流。当惯性力占主导时，流动速度增加，就像在空气和河流中的大部分流动，雷诺数很大，流动是紊流。因此，自然条件下大多数的流动是紊流。由公式（2-2）可知，黏度的增加与流动速度和流动深度的减小有相同的效果。当雷诺数高于临界值，通常介于500～2000之间时会发生从层流到紊流的转变。因此，雷诺数可以用来判定水流是层流还是紊流，并有助于确定紊流程度。由于雷诺数无量纲，因此在模拟自然流动实验中具有特殊价值。

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