管中流体流动状态和管状态的关系

管中流动状态与管状态的关系

摘要本文通过雷诺实验介绍了流体流动的两种状态，即层流和湍流，并且介绍了圆管和其他异性管的临界雷诺数。随后用纳维-斯托克斯公式分析层流圆管和缝隙中的流动状态，简单介绍了一种用于分析湍流

关键词雷诺实验层流湍流圆管流动缝隙流动

众所周知，流体的流动阻力及速度分布均与流体的流动状态紧密相关。因此，流体的流动状态的研究无疑具有非常重要的理论价值与实际意义。

1883年英国物理学家雷诺通过大量实验，发现了流体在管道中流动是存在两种内部结构完全不同的流动状态，即层流和湍流。两种流动状态可通过实验来观察，即雷诺实验。

一、流体状态的分类与界定

1、雷诺实验

雷诺数代表惯性力和粘性力之比，雷诺数不同，这两种力的比值也不同，由此产生内部结构和运动性质完全不同的两种流动状态。这种现象用图1-a所示的雷诺实验装置可以清楚地观测出来。

图表 1 雷诺实验装置

容器6和3中分别装满了水和密度与水相同的红色液体，容器6由水管2供水，并

由溢流管1保持液面高度不变。打开阀8让水从玻璃管7中流出，这时打开阀4，红色液体也经细导管5流入水平玻璃管7中。调节阀8使管7中的流速较小时，红色液体在管7中呈一条明显的直线，将小管5的出口上下移动，则红色直线也上下移动，红色水的直线形状都很稳定，这说明此时整个管中的水都是沿轴向流动，流体质点没有横向运动，不相互混杂，如图1-b所示。液体的这种流动状态称为层流。当调整阀门8使玻璃管中的流速逐渐增大至某一值时，可以看到红线开始出现抖动而呈波纹状，如图1-c所示，这表明层流状态被破坏，液流开始出现紊乱。若管7中流速继续增大，红线消失，红色液体便和清水完全混杂在一起，如图1-d所示，表明此时管中流体质点有剧烈的互相混杂，质点运动速度不仅在轴向而且在纵向均有不规则的脉动现象，这是的流动状态称为湍流。如果将阀门8逐渐关小，湍乱现象逐渐减轻，当流速减小至一定值时，红色水又重新恢复直线形状出现层流。

层流和湍流是两种不同性质的流动状态，是一切流体运动普遍存在的物理现象。

层流时液体流速较低，液体质点间的粘性力其主导作用，液体质点受粘性的约束，不能随意运动。粘性力的方向与流体运动方向可能条相反、可能相同，流体质点受到这种粘性力的作用，只可能沿运动方向降低或是加快速度而不会偏离其原来的运动方向，因而流体呈现层流状态，质点不发生各向混杂。

湍流时液体流速较高，液体质点间粘性的制约作用减弱，惯性力逐渐取代粘性力而成为支配流动的主要因素，起主导作用。沿流动方向的粘性力对质点的束缚作用降低，质点向其他方向运动的自由度增大，因而容易偏离其原来的运动方向，形成无规则的脉动混杂甚至产生可见尺度的涡旋，这就是湍流。

2、雷诺数

流体的流动状态可用雷诺数来判断。

实验结果证明，液体在圆管中的流动状态不仅与管内的平均流速v有关，还与管道内径d、液体的运动粘度ν有关。而用来判别流体状态的是由这三个参数所组成的一个无量纲数——雷诺数Re

Re=vd

ν

（式1）

雷诺数的物理意义表示了液体流动是惯性力与粘性力之比。如果液流的雷诺数相同，则流动状态亦相同。

流体由层流转变为湍流时的雷诺数和由湍流转变为层流时的雷诺数是不相同的，前

者称为上临界雷诺数，以Re’

c 表示；后者称为下临界雷诺数，以Re

c

表示。两相比较可

知：

Re>Re’

c

时，管中流动状态是湍流。

Re

c

时，管中流动状态是层流。

Re

c < Re

c

时，层流湍流的可能性都存在，不过湍流的情况居多，实践证明这种

情况下的层流往往也是不稳定的。这是因为，雷诺数较高时层流结构极不稳定，遇到外界干扰和振动时，原来的流线有微许起伏波动，例如形成图2（1）所示那样，左面成波峰、右面成波谷形状。按照伯努利方程式分析，波峰上侧流道断面变窄，速度增大，压强降低，波峰下策流道断面变宽，速度减小，压强增大。于是流线两侧的压强差会使波峰更加隆起，同理使波谷更加凹陷，如图2（2）所示。于此同时，在流线的每一侧也会产生从高压部位流向低压部位的所谓二次流，其流动方向如图2（2）、（3）中的箭头所示。结果流线会被扭曲成图2(4)所示的形状，继续发展下去，流线终将被冲断，形成如图2（5）所示的脉动涡旋，这样原来不稳定的层流就转变为湍流。这也就是雷诺数介于上下临界值之间时，出现湍流的机会比出现层流的机会更多的一种原因，事实上也就是对层流如何变成湍流的一种形象性的解释。

图表 2 涡旋形成过程

因此，一般都用数值小的下临界雷诺数作为判别流体状态的依据，称为临界雷诺数Re

cr

，即：

Re>Re

cr

时，管中流动状态是湍流。

Re

cr

时，管中流动状态是层流。

3、水力直径

一般雷诺数vl

ν中的特征尺寸l在圆形管道中取为直径，因而圆管的雷诺数是vd

ν

。圆管

直径与断面A和断面上流体固体接触周长S的关系

4A

S

=4

π

d d

2

πd

=d

（式2）

异形管道也可以用过流断面面积A与过流断面上流体与固体接触周长S之比的4倍来作为特征尺寸。这种尺寸称为水力直径，用d H表示

d H=4A

S

（式3）

于是异形管道的雷诺数为R e=vd H

ν，圆形管道的雷诺数仍然是R e=vd H

ν

=vd

ν

，这二

者是一致的。

其中S又称为通流截面的湿周。

水力直径的大小对管道的通流能力的影响很大。在流通截面面积A一定时，水力直径大，代表流体和管壁的接触周长短，管壁对流体的阻力小，通流能力大。在面积相等但形状不同的所有通流截面中，圆形管道的水力直径最大。

常见流体管道的临界雷诺数由实验求得，如表1所列。比较Re与Re c的大小即可判别这几种异形管道中的流动状态。

表格1常见流体管道的临界雷诺数

二、层流

1、圆管中的层流

分析定常不可压缩流体在圆管中的层流，可以从纳维-斯托克斯（N-S）公式出发，结合层流运动的特点建立常微分方程。根据元观众层流的数学特点对N-S方程式进行简化，定常不可压缩完全扩展段的管中层流具有如下五方面的特点。

（1）只有轴向运动

取Oxyz坐标系，使y轴与管轴线重合，如图3所示，因为层流中没有纵向跳动，故