层流和紊流
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发布时间：2022-04-23 10:08
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时间：2022-07-06 16:41
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：Re<2320为层流；Re=2320为临界流，也称为临界雷诺数（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。
