层流和紊流

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流动形态

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实际流体由于存在粘滞性而具有的两种流动形态。流体质点作有条不紊的运动，彼此不相混掺的形态称为层流。流体质点作不规则运动、互相混掺、轨迹曲折混乱的形态叫做紊流（湍流，乱流）。它们传递动量、热量和质量的方式不同：层流通过分子间相互作用，紊流主要通过质点间的混掺。紊流的传递速率远大于层流。水利工程所涉及的流动，一般为紊流。^[1]

中文名: 层流和紊流
外文名: Laminar and turbulent

实质: 传递动量
正文: 雷诺数

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1雷诺数
2层流
3紊流

雷诺数

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表征液流惯性力与粘滞力相对大小，可用以判别流动形态的无店钻炒颈因次数，记作Re。雷诺数的定义式为：Re=ρvd/μ　式中ρ、μ为流体的密度和动力粘滞系数；v、d为流动的特征速度和特征长度。雷诺数小时,粘性效应在整个流场中起主要作用,流动为层流。雷诺数大婶旬境时，紊动混掺起决定作狼墓戒用，流壳格漏动为紊流。对于同样的液流装置，由层流转换为紊流想垫协时的雷诺数牛拜承恒大于紊流向层流转换的雷诺数。前者称上临界雷诺数，其值随试验条件而变，很不稳定；后者称下临界雷诺数，其值比较稳定，对于一般条件订欢下的管流棕您（圆管直径为特征长度，断面平均流速为特征速度），约为2300。

层流

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只存在粘滞切应力。在简单的剪切流中，粘滞切应力：μ

式中

为剪切变形速度,亦即速度沿垂直方向的变化率；μ为动力粘滞系数,只和液体种类及温度有关的常数。此式表达了著名的牛顿内摩擦定律。层流中摩擦阻力及沿程水头损失均与流速的一次方成正比，流速分布呈抛物线型。圆管层流流速分布如图1所示。

紊流

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层流和紊流

又称湍流。流体运动呈随机性，即速度、压强等均随时间、空间作不规则的脉动，是紊流的基本特征（图2）。可采用时间平均法,将任一物理量的瞬时值分解为时均值与脉动值，即：式中u∞、ū∞、u'分别为某一点处沿x方向的瞬时流速、时均流速与脉动流速；p、

、p'分别为某点处的瞬时压强、时均压强与脉动压强;T为适当选取进行平均的时段。

紊流中除粘滞切应力τ1外,还有紊流附加切应力τt。由纳维－斯托克斯方程导出紊流时均运动的雷诺方程,就会增添紊流附加应力，又称雷诺应力。如紊流时均速度分量仅有ūx=ūx(y),则有：式中vt为紊动交换系数或涡旋运动粘滞系数。和运动粘滞系数υ不同,它不是单由物性决定的常数，而是和流动状态有关的变量。

层流和紊流

关于τt或vt的计算,常用L.普朗特提出的动量传递理论，即：式中l为混合长。显然。按照动量传递理论结合实验,已导出紊流的对数型速度分布公式,与实验结果比较接近。与层流相比较，紊流流速分布趋于均匀，摩擦阻力和水头损失增大，在充分发展的紊流中，沿程水头损失与流速的二次方成正比。

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