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流体力学

哈根-泊肃叶流动

抛物线分布 u(r) = umax(1 − (r/R)²),壁 0·中心最大,最大 = 2 × 平均,湍流平钝

管子里流的水,速度并不到处相同。把管子横着切开量速度,会是什么形状,拖动探针横过截面来看。壁抓住,中间跑。

贴着壁的水因无滑移是 0,越往中心越快,把速度画成箭头,就成中间最鼓的抛物线。拖动推力,抛物线整块变大,因为壁的黏性摩擦抓住边缘,只有中间尽情地变快。边缘被抓住,只有正中间把路打开。

层流和湍流从分布的形状就不同。用按钮切换,层流是光滑的抛物线,湍流猛烈地混,中间变得钝而平,只有壁附近急落,因为湍流活跃的混合把速度摊均匀了。混合把峰削平。

层流抛物线有一件干净的事实。中心的最大速度恰好是截面平均速度的两倍,拖动推力,这个 2 比 1 也不变。所以用平均速度算流量的时候,把中间量到的最大值除以二来用。峰是平均的两倍,这个比是固定的。

写成式子是 u(r) = umax (1 − (rR)²)。中心 (r=0) 最大,壁 (r=R) 是 0 的抛物线,拖动半径位置 r,速度就照式子跟着来。越往边缘,按平方掉得越快。中心是峰,壁是底。

血管里的血也这样流。贴着血管壁的层几乎停着,中间流的红细胞最快,拖动流量,中心细胞的速度长得最大。血管变窄,中心流速就大大窜高,壁附近的慢层参与营养交换和凝固。这个黏性摩擦沿管子削掉多少压力,由水头损失接下来。

实际应用收起来说,层流管流的速度分布是抛物线。壁上因无滑移是 0,中心最大,式子是 u(r) = umax(1 − (rR)²),平均速度是最大值的一半,所以最大 = 2 × 平均。变成湍流,活跃的混合把分布削钝、摊平,中间接近平均。同样的流量,分布的形状不同,壁面剪应力和摩擦也不同,血流、微流体、润滑膜都在这个分布上工作。这个黏性造成的管摩擦损失,也就是水头损失,接着来。
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