未解決的物理學問題能否建構一個理論模型來描述亂流的行為,特別是它的內部結構? Question mark2.svg
当层流遇到障碍物时转变为湍流

湍流英语:turbulence),也稱為紊流(大陆地区的旧称),是流体的一种流动状态。当流速很小时,流体分层流动,互不混合,称为层流,或称为片流;逐渐增加流速,流体的流线开始出现波浪状的摆动,摆动的频率及振幅随流速的增加而增加,此种流况称为过渡流;当流速增加到很大时,流线不再清楚可辨,流场中有许多小 漩涡 ,称为湍流,又称为乱流(日本及港澳台用字)、扰流或紊流。

这种变化可以用雷诺数来量化。雷诺数较小时, 黏滞力 对流场的影响大于惯性力,流场中流速的扰动会因黏滞力而衰减,流体流动稳定,为层流;反之,若雷诺数较大时,惯性力对流场的影响大于黏滞力,流体流动较不稳定,流速的微小变化容易发展、增强,形成紊乱、不规则的湍流流场。

流态转变时的雷诺数值称为临界雷诺数。临界雷诺数与流场的参考尺寸有密切关系。一般管道流雷诺数Re<2100为层流状态,Re>4000为湍流状态,Re=2100~4000为过渡状态。

在管路设计中,湍流比层流需要更高的泵输出功率。而在 热交换器 或者反应器设计中,湍流反而有利于热传递或者充分混合。

有效地描述湍流的性质,至今仍然是物理学中的一个重大难题。

潜水艇船体上方的层流和湍流

大气流动产生的湍流

大气湍流按成因分为“ 风暴湍流 ”和“ 晴空湍流 ”。前者由空气受热产生的强 上升气流 所致,因常发于风暴等上升气流旺盛的天气而得名。后者则是由于空气流动时不同气团交汇而成。风暴可由气象雷达预警,而“ 晴空湍流 ”由于缺乏征兆而较易发生意外。

有关湍流的举例

  • 香烟产生的烟。在最初的几厘米,烟的流场是层流,随着热空气的向上加速,烟就开始变得不稳定形成了湍流。与此类似,空气中污染的扩散就是由湍流主宰的。
  • F1赛车高速转弯时,前车尾部造成的湍流使后车前定风翼下压力损失约30%。如果距离前车太近,会造成转向不足。
  • 环绕高尔夫球的流动。(更好的理解是根据相对运动原理,假设高尔夫球不动,气体绕其流动。)表面粗糙的高尔夫球,流动的边界层分离点要比光滑表面的高尔夫球边界层分离点靠后。
  • 乘坐 飞机 時常常会听到乘务员提示「飞机遇到湍流,请繫好安全带」。有时湍流(特别是 晴空湍流 )可能会导致飞机上的人员受伤,但不用惊慌,大部分情况下飞行员都能很好对付在湍流中飞行的情况,并且记得繫好安全带。

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