流体力学
雷诺数 是什么
雷诺数 Re = ρvD/μ(惯性/黏性),临界 Re~2300 分层流↔湍流,无量纲
同样的水,有时流得光滑,有时乱糟糟地缠在一起。什么把两者分开,拖动 Re 滑块,看流动怎样变。一个数把光滑和缠绕分开。
在流动里放一根小柱,拖动 Re,差别就清楚。Re 低的时候,水光滑地绕过柱子,后面平静,一层一层整齐的这种流动是层流。把 Re 调高,柱子后面涡一个个脱落、乱糟糟地缠起来,这就是湍流。同一根柱子有两张脸。
是层流还是湍流,由两股力拔河来定。惯性把一次生出的扰动照样推着养大,黏性把它抹平、按下去,Re 就是这个惯性除以黏性的比。拖动 Re,就看见哪一边赢。惯性赢是湍流,黏性赢是层流。
转换是突然的。把 Re 慢慢调高,越过某个临界值的那一瞬间,光滑的流动开始乱,管流里大约 Re 2300 附近就是那个边界。下面是层流,上面是湍流,中间是两者来回的过渡区。越过边界的瞬间,脸就换了。
写成式子是 Re = ρvDμ,密度乘速度乘大小、再除以黏性的无量纲数。拖动 v,Re 就跟着动、越过临界线,越快、越粗、越稀,Re 越大,就越倾向湍流。没有单位的纯粹的数,所以河、血管、输油管都能用同一把尺子比。
想起水龙头就容易。水开得小,像玻璃棒一样光滑透明的一股落下来,那是层流。把流量往上拖、开得更猛,某一瞬间那一股冒泡、发白地乱开,跨进湍流。香的烟起初笔直上升、到上面分开,也是一样。黏性怎样在管子里捏出速度分布,由层流的抛物线接下来。
实际应用收起来说,流动是层流还是湍流,由惯性和黏性的拔河来定,那个比就是雷诺数 Re = ρvDμ。Re 小,黏性赢,是光滑的层流。大,惯性赢,是缠在一起的湍流。管流的临界 Re 大约是 2300。越快、越粗、黏性越稀,Re 越大。没有单位的无量纲数,让大小和速度千差万别的流动用一把尺子来比,连缩小模型实验也成为可能,这是量纲分析的种子。黏性在管子里捏出的层流抛物线速度分布接着来。
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