自然界中的流体流动状态主要有两种形式,即层流和湍流。在许多中文文献中,湍流也被称为紊流。层流是指流体在流动过程中,相互剪切的两层之间没有相互掺混的流动状态。湍流指的是相互剪切的两层流体之间存在相互的掺混,流场中有不同尺度的涡。这里的涡即人们日常生活中见到的各种涡旋,或者说具有一定尺度的旋转流动。与稳定的层流相比,湍流具有明显的瞬态脉动特性。所谓的湍流,本质上是流场中各种涡的变换运动,即流动的剪切形成大涡,大涡会破碎成小涡,小涡又继续破碎,最后达到分子尺度被流体黏性耗散掉。这一过程称为涡的串迭,具有传递质量、动量与能量的作用。—般说来,湍流是普遍的,而层流则属于个别情况。
对于圆管内的流动状态,雷诺曾经做过实验。雷诺发现,圆管内的流动状态与圆管直径、流体黏性以及流动速度有关,即Reynolds 数(也称雷诺数):Re =ud /ν。其中,u 为液体流速;ν 为运动黏性系数;d 为管径。运动黏性系数与动力黏性系数的关系为ν =μ /ρ。根据实验结果,当Re≤2 300时,管流一定为层流;Re≥8 000时,管流一定为湍流;当2 300<Re<8 000,流动处于层流与湍流间的过渡区。雷诺数本质上反映了流体惯性力与黏性力之比,换句话说,流动之所以分为层流与湍流,就在于流动的惯性力与黏性力的相对大小不同。在黏性力不变的情况下,惯性力越强,流场的湍流越强。湍流的存在会导致相互剪切的两层流体之间的质量、动量与能量传输加快,使得整个流场更快地趋向于均一(如果整体上有这个趋势的话)。例如,化工领域为了保证反应物配比恒定,通常会控制反应物流量不变,而通过控制湍流强度(turbulence intensity)来改变反应物之间的混合速度,进而控制反应速率。(www.daowen.com)
对于燃气射流而言,由于其流速较快,因此一般来说燃气射流都是湍流流动。而湍流发生的位置,主要在燃气射流与周围空气之间的强剪切层(混合边界层)内。在火箭导弹发射领域,许多情况下我们并不关注混合边界层内具体的湍流流动,而是关注湍流对时均流动的传输增强效应。因此,我们在计算发射中的燃气射流流场时,往往将湍流流动简化为某一种模型,忽略其瞬态特性,只考虑其对时均流动的影响。
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