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2023-07-02
层流、湍流和雷诺数的基本概念
【摘要】：雷诺数是用来表征流体流动情况的无量纲数，以Re表示。雷诺数大，意味着惯性力占主要地位，流体呈湍流流动状态。对于管内流动雷诺数Re<2300为层流状态，Re＞4000为湍流状态，Re=2000～4000为过渡状态。上式表明，雷诺数可理解为在流体运动中惯性力对粘性力的比值。层流时的速度分布呈抛物线状，从图3-3中可发现，因此对于层流流体，只要知道中心速度Vmax，就可推算出平均速度和流量。图3-3 层流和湍流的速度分布图3-3 层流和湍流的速度分布
流体力学的研究已表明，粘性流体存在两种不同的流动状态——层流和湍流。层流时各层流体沿着主流方向平行有规则的向前流动，而湍流流动虽然就宏观来看，流体的流向一致，但是流体各微团之间会发生强烈的混合而作不规则的运动，因此在其他条件相同的情况下，湍流时的换热强度自然要比层流大得多。
判断流体流动的状态是层流还是湍流，是由雷诺数（Reynolds Number）来确定的。雷诺数是用来表征流体流动情况的无量纲数，以Re表示。
流体流动可以是内部流动，也可以是外部流动。对于内部流动，雷诺数ReD可表示为
式中，ρ为流体密度（kg/m3）；V为管道截面的平均流速（m/s）；DH为水力直径（m），DH=4×流通截面积/湿周；μ为流体的动力粘度[kg/（s·m）]；ν为流体的运动粘度（m2/s），ν=μ/ρ。另外，雷诺数ReD可以表示为
式中，ρ为流体密度（kg/m3）；V为管道截面的平均流速（m/s）；DH为水力直径（m），DH=4×流通截面积/湿周；μ为流体的动力粘度[kg/（s·m）]；ν为流体的运动粘度（m2/s），ν=μ/ρ。另外，雷诺数ReD可以表示为
上式表明，雷诺数可理解为在流体运动中惯性力对粘性力的比值。因此，雷诺数小意味着粘性力占主要地位，流体各质点平行于管内壁有规则地流动，呈层流流动状态。雷诺数大，意味着惯性力占主要地位，流体呈湍流流动状态。对于管内流动雷诺数Re<2300为层流状态，Re＞4000为湍流状态，Re=2000～4000为过渡状态。在不同的流动状态下，流体的运动规律、流速的分布等都是不同的，因而管道内流体的平均流速V与最大流速Vmax的比值也是不同的。但可以肯定的是，紧贴管壁的速度都是零，而中心速度最大。层流时的速度分布呈抛物线状，从图3-3中可发现
，因此对于层流流体，只要知道中心速度Vmax，就可推算出平均速度和流量。当流体呈湍流状态时，对于不同的ReD，
是不一样的。作为近似，当ReD=104时，
取0.8；当ReD=108时，
取0.9。需要注意的是，此处的ReD是按V确定的。
上式表明，雷诺数可理解为在流体运动中惯性力对粘性力的比值。因此，雷诺数小意味着粘性力占主要地位，流体各质点平行于管内壁有规则地流动，呈层流流动状态。雷诺数大，意味着惯性力占主要地位，流体呈湍流流动状态。对于管内流动雷诺数Re<2300为层流状态，Re＞4000为湍流状态，Re=2000～4000为过渡状态。在不同的流动状态下，流体的运动规律、流速的分布等都是不同的，因而管道内流体的平均流速V与最大流速Vmax的比值也是不同的。但可以肯定的是，紧贴管壁的速度都是零，而中心速度最大。层流时的速度分布呈抛物线状，从图3-3中可发现
，因此对于层流流体，只要知道中心速度Vmax，就可推算出平均速度和流量。当流体呈湍流状态时，对于不同的ReD，
是不一样的。作为近似，当ReD=104时，
取0.8；当ReD=108时，
取0.9。需要注意的是，此处的ReD是按V确定的。
图3-3 层流和湍流的速度分布
图3-3 层流和湍流的速度分布
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