流动阻力、层流理论、紊流理论

层流和紊流掌握流体中不同的流动模式流体是一种可以流动的物质，其运动方式可以分为层流和紊流两种不同的流动模式。

层流是指流体在管道或通道中沿着特定的路径有序地流动，而紊流则是指流体在管道或通道中以混乱无序的方式流动。

理解和掌握流体中这两种不同的流动模式对于工程设计和科学研究具有重要的意义。

一、层流层流是指流体粒子在流动过程中以有序的方式保持着各自的路径和速度。

在层流中，流体粒子之间的相对运动是平行而且有序的，它们之间的质量和动量交换极小。

经过特定的管道或通道后，流体粒子的速度分布呈现出钟形曲线状。

这种流动模式通常发生在流体分子之间的相互作用力较强，流速较低的情况下。

层流具有以下几个特点：1. 流速稳定：层流中流体粒子的速度变化较小，流速稳定。

2. 温度分布均匀：由于流体粒子互不干扰，热量通过分子间的传导方式传递，使得温度分布较为均匀。

3. 能量损失小：由于流体粒子之间的相对运动较小，能量损失较小。

层流在实际应用中有广泛的应用：1. 实验室中的精密仪器，如激光切割机、电子显微镜等需要精确控制流动的设备，通常采用层流技术，以确保精度和稳定性。

2. 医疗领域的洁净室、手术室和药品生产车间等，采用层流技术可以有效防止细菌传播和污染。

3. 工业生产中的某些化学反应需要保持温度或浓度的稳定，层流可以提供稳定的流动环境。

4. 计算机芯片生产过程中，为了防止灰尘和杂质对芯片质量的影响，层流技术被广泛应用。

二、紊流紊流是流体在管道或通道中以混乱无序的方式流动，流体粒子之间存在着交换、碰撞和碰撞断裂等多种运动形式。

紊流的流动方式复杂多样，流体粒子的速度和方向经常变化，导致整个流动过程难以预测和理解。

紊流具有以下几个特点：1. 速度变化大：紊流中流体粒子的速度变化范围很大，从几乎静止到非常快速的流动都有可能出现。

2. 温度分布不均匀：由于流体粒子之间的相互作用引起能量交换，温度分布较为不均匀，出现湍流热传导。

3. 能量损失大：由于流体粒子之间的碰撞和剪切引起大量的能量损失，导致流动阻力增加。

层流和紊流与流速的关系
层流和紊流是流体力学中两种不同的流动状态，它们与流速有
着密切的关系。

首先，让我们来解释一下层流和紊流的概念。

层流是一种流体
在管道或河道内以非常有序的方式流动的状态。

在层流中，流体沿
着平行的层流线流动，流速在不同层之间基本上是相等的，流体粘
度起着主导作用。

相反，紊流是一种流体以混乱、不规则的方式流
动的状态。

在紊流中，流体的速度和方向不断变化，形成涡流和湍流，流体内部的分子间相互作用和摩擦起着主导作用。

现在我们来谈谈它们与流速的关系。

在层流中，流速相对较低，流体沿着管道或河道内缓慢流动，因为流体内部分子间的粘滞阻力
较大，使得流速受到限制，流体呈现出比较有序的状态。

而在紊流中，流速相对较高，流体以混乱的方式快速流动，形成湍流和涡流，流速受到流体内部湍流运动的影响，流体呈现出混乱和不规则的状态。

此外，流速还与流体的黏度和密度有关。

在层流中，流速受到
流体黏度的影响，黏度较大时流速较低；而在紊流中，流速受到流
体密度的影响，密度较大时流速较高。

总的来说，层流和紊流与流速的关系是密不可分的。

流速的大
小和流体的状态密切相关，而流体的状态又受到流速的影响。

因此，我们需要综合考虑流速、流体黏度和密度等因素，才能全面理解层
流和紊流与流速之间的关系。

流体流动的类型与分类流体力学是研究流体流动及其与固体的相互作用的科学。

流体力学的研究对象是连续介质及其运动状态，而流动是连续介质最基本的运动状态之一。

流体流动的类型和分类是流体力学研究的重要内容，本文将就流体流动的类型与分类展开论述。

一、流体流动的类型流体流动的类型主要有两种：一是层流，二是紊流。

1. 层流层流是指流体在管道或其他容器内沿着平行的流线有序地流动，各层流体相互之间没有交换和扩散。

在层流的情况下，流体的速度分布是对称的，压力分布也是均衡的。

层流的特点是稳定有序、局部速度小、剪切应力小，适用于一些需要稳定流动状态的应用领域。

2. 紊流紊流是流体流动的另一种类型，其特点是流线混乱、流动速度和压力的分布不规则。

紊流的流体会发生较大的混合和扩散，导致能量的大量损失。

由于流体内部存在涡旋和湍流等现象，紊流流动常常伴随着噪声和振动。

紊流通常发生在高速流动或复杂的流动情况下，如绕流体物体、湍流气体的燃烧等。

二、流体流动的分类根据流动的性质和流速的大小，可以将流体流动分为以下几种类型：一是稳定流动，二是非稳定流动，三是可压缩流动，四是不可压缩流动。

1. 稳定流动稳定流动是指流体的速度和压力分布在空间和时间上都保持不变的流动状态。

稳定流动具有确定的运动特性和稳定的物理性质，是流体应用研究和工程设计中最常见和最重要的流动类型。

2. 非稳定流动非稳定流动是指流体的速度和压力分布随时间和空间的变化而发生变化的流动。

这种流动状态通常包括起始阶段或终止阶段的不稳定过渡流动和周期性变化的振荡流动。

3. 可压缩流动可压缩流动是指流体在流动过程中会发生明显的密度和压力变化的流动。

可压缩流动常出现在高速流动，尤其是超音速流动的情况下。

在可压缩流动中，流体的压力波动和密度变化较大，需要考虑流动的速度和压力对流体力学性质的影响。

4. 不可压缩流动不可压缩流动是指流体在流动过程中密度基本保持不变的流动，即流体可以近似看作是不可压缩的。

层流紊流的判别标准
层流和紊流是流体力学中的两个非常重要的概念。

层流是指流体在管道中沿着一定的方向运动，速度分布相对均匀，且流线之间互不干扰的一种流动状态；而紊流则是指流体在管道中的速度和方向都不稳定，流线之间互相干扰和交错的一种流动状态。

在实际工程中，判断流体的流动状态是非常重要的，因为不同的流动状态会对管道内的摩擦损失、流量变化等产生不同的影响。

那么，如何判断流体的流动状态是层流还是紊流呢？通常来说，我们可以根据雷诺数来判断。

雷诺数是一个无量纲数，它表示惯性力和粘性力之间的比值。

当雷诺数小于临界雷诺数时，流体的流动状态为层流；当雷诺数大于临界雷诺数时，流体的流动状态为紊流。

临界雷诺数的大小取决于管道的形状和管道内的流体性质。

通常来说，圆管的临界雷诺数约为2300，扁平管道的临界雷诺数则相对较小。

此外，流体的黏度、密度等特性也会对临界雷诺数产生影响。

需要注意的是，当流体在管道中流动时，流动状态可能会随着流速的变化而发生变化。

因此，在进行实际工程设计时，需要对流体的流动状态进行预估，并在设计中考虑不同流动状态对系统的影响。

第六章流动阻力及能量损失本章主要研究恒定流动时，流动阻力和水头损失的规律。

对于粘性流体的两种流态——层流与紊流，通常可用下临界雷诺数来判别，它在管道与渠道内流动的阻力规律和水头损失的计算方法是不同的。

对于流速，圆管层流为旋转抛物面分布，而圆管紊流的粘性底层为线性分布，紊流核心区为对数规律分布或指数规律分布。

对于水头损失的计算，层流不用分区，而紊流通常需分为水力光滑管区、水力粗糙管区及过渡区来考虑。

本章最后还阐述了有关的边界层、绕流阻力及紊流扩散等概念。

第一节流态判别一、两种流态的运动特征1883年英国物理学家雷诺（Reynolds O.）通过试验观察到液体中存在层流和紊流两种流态。

1.层流观看录像1-层流层流（laminar flow），亦称片流：是指流体质点不相互混杂，流体作有序的成层流动。

特点：（1）有序性。

水流呈层状流动，各层的质点互不混掺，质点作有序的直线运动。

（2）粘性占主要作用，遵循牛顿内摩擦定律。

（3）能量损失与流速的一次方成正比。

（4）在流速较小且雷诺数Re较小时发生。

2.紊流观看录像2－紊流紊流（turbulent flow），亦称湍流：是指局部速度、压力等力学量在时间和空间中发生不规则脉动的流体运动。

特点：（1）无序性、随机性、有旋性、混掺性。

流体质点不再成层流动，而是呈现不规则紊动，流层间质点相互混掺，为无序的随机运动。

（2）紊流受粘性和紊动的共同作用。

（3）水头损失与流速的1.75~2次方成正比。

（4）在流速较大且雷诺数较大时发生。

二、雷诺实验如图6-1所示，实验曲线分为三部分：（1）ab段：当υ<υc时，流动为稳定的层流。

（2）ef段：当υ>υ''时，流动只能是紊流。

（3）be段：当υc<υ<υ''时，流动可能是层流（bc段），也可能是紊流（bde段），取决于水流的原来状态。

图6-1图6-2观看录像3观看录像4观看录像5实验结果（图6-2）的数学表达式层流：m1=1.0, h f=k1v , 即沿程水头损失与流线的一次方成正比。

层流湍流紊流三者概念和区别
湍流（Turbulence）：是一种运动状态，能够在液体或气体中产生复杂的三维流动。

它的发生无须尺度控制，可以从微尺度开始，也可以从宏观尺度开始。

它是介于简单收敛流动和湍动结构之间的一种状态，最后可以引起液体中的能量转换。

多层流（Multilayer）：多层流是指空气层流中，两个层之间温度和密度发生明显变化，并且存在上下层间流动状态不同的构成。

即上下层间气源出现明显变化，上层空气相对于下层空气升速、气温较低，露点温度较低，层温及气源的变化作用使气体层之间发生上下层间湍流紊流。

紊流（Turbulence）：紊流是湍流的一种，是由于能量的释放和流动状态不均衡而发生持续性变动流动的一种流体非均匀运动状态。

它恰好是在尺度小于湍流尺度的液体流动中发生的，有规律的特性，相比湍流的无规律变化，它的能量释放速率也相对慢，所以我们称它为“紊流”。

从本质上来讲，湍流是一种无规则的非均匀运动的流体，涉及的尺度很大；而紊流是它的一种特殊亚类，涉及的尺度较小，具有一定的规律，能量释放速率也相对较慢，只能适用于某些特定应用场景中。

而多层流则是具有多层次结构，空气层间温度和密度发生明显变化，并且存在上下层间流动状态不同的一种复杂状态。

第四章 层流和紊流及水流阻力和水头损失1、紊流光滑区的沿程水头损失系数 λ 仅与雷诺数有关，而与相对粗糙度无关。

( )2、圆管紊流的动能校正系数大于层流的动能校正系数。

( )3、紊流中存在各种大小不同的涡体。

( )4、紊流运动要素随时间不断地变化，所以紊流不能按恒定流来处理。

( )5、谢才公式既适用于有压流，也适用于无压流。

( )6、''yu x u ρτ-=只能代表 X 方向的紊流时均附加切应力。

( )7、临界雷诺数随管径增大而增大。

( ) 8、在紊流粗糙区中，对同一材料的管道，管径越小，则沿程水头损失系数越大。

( ) 9、圆管中运动液流的下临界雷诺数与液体的种类及管径有关。

( ) 10、管道突然扩大的局部水头损失系数 ζ 的公式是在没有任何假设的情况下导出的。

( ) 11、液体的粘性是引起液流水头损失的根源。

( ) 11、不论是均匀层流或均匀紊流，其过水断面上的切应力都是按线性规律分布的。

( ) 12、公式gRJ ρτ= 即适用于管流，也适用于明渠水流。

( ) 13、在逐渐收缩的管道中，雷诺数沿程减小。

( ) 14、管壁光滑的管子一定是水力光滑管。

( ) 15、在恒定紊流中时均流速不随时间变化。

( ) 16、恒定均匀流中，沿程水头损失 hf 总是与流速的平方成正比。

( ) 17、粘性底层的厚度沿流程增大。

( ) 18、阻力平方区的沿程水头损失系数λ 与断面平均流速 v 的平方成正比。

( ) 19、当管径和流量一定时，粘度越小，越容易从层流转变为紊流。

( ) 20、紊流的脉动流速必为正值。

( ) 21、绕流阻力可分为摩擦阻力和压强阻力。

( ) 22、有一管流，属于紊流粗糙区，其粘滞底层厚度随液体温度升高而减小。

( ) 23、当管流过水断面流速符合对数规律分布时，管中水流为层流。

( ) 24、沿程水头损失系数总是随流速的增大而增大。

水力学层流和紊流的区别水力学这门学科可真有趣，虽然听起来有点复杂，但其实它就像我们日常生活中的水流一样，既亲切又容易理解。

今天我们来聊聊层流和紊流这两个概念，搞清楚它们的区别，让你在朋友面前一开口就能让大家佩服得五体投地！1. 什么是层流？层流嘛，顾名思义，就是水流流动得像一层层的薄纱，轻柔而又有序。

想象一下，你在河边看到水面上的小溪，水流缓缓而过，毫无杂乱，像是在跳舞一样。

每一层水都是整齐划一的，就像学校里的小朋友排队放学一样，大家都很有秩序。

1.1 层流的特点层流的特点呢，首先就是速度不快，水流平稳，像是在散步。

水流中的每一小部分都保持着平行的状态，互不干扰。

你可以想象成一场优雅的芭蕾舞，舞者们一个接一个，轻巧而又灵动。

而且，层流的阻力比较小，这就意味着用更少的力气就能推动水流，简直是省力的好方法！在这样的情况下，流体的粘度显得尤为重要，水流越粘稠，层流的状态就越容易保持。

1.2 层流的应用说到应用，层流在生活中可是无处不在哦！比如，水管里的水流，慢慢流动的咖啡，甚至是一些工业流程中，层流都发挥着重要的作用。

在科研和工程设计中，层流的研究帮助我们设计出更高效的水利工程和管道系统。

简单来说，层流让我们的生活更加方便。

2. 什么是紊流？而说到紊流，那就是另一番光景了。

紊流就像是一场狂欢派对，水流像是被放开的小孩，四处乱跑，根本没有规律可言。

想象一下，你在一个热闹的音乐节上，周围的人都在随意舞动，场面混乱又兴奋。

这就是紊流的样子！2.1 紊流的特点紊流的特点就是混乱，水流速度快而且不规则，各种涡流、漩涡交织在一起，像极了疯狂的过山车。

水流中的每一部分都在不同的方向上舞动，互相影响、互相干扰。

就像在热锅上的蚂蚁，急匆匆、东奔西跑。

而且，紊流的阻力比层流大，流体的运动能量也更为复杂，因此需要更多的力量来推动。

2.2 紊流的应用那么，紊流又有什么用呢？虽然看起来乱糟糟的，但其实它在很多领域同样不可或缺。