什么是雷诺数,雷诺数与流体运动状态有什么关系?
守一
2022 / 03 / 22

      流体在运动时,存在着两种根本不同的流动状态。当流体流速较小时,惯性力较小,粘滞力对质点起控制作用,使各流层的流体质点互不混杂,流体呈层流运动。当流体流速逐渐增大,质点惯性力也逐渐增大,粘滞力对质点的控制逐渐减弱。当流速达到一定程度时,各流层的流体形成涡流并能脱离原流层,流体质点即互相混杂,流体呈湍流运动。这种从层流到湍流的运动状态,反应了流体内部结构从量变到质变的一个变化过程。
流体运动的层流和湍流两种型态,首先由英国物理学家雷诺进行了定性与定量的实验,并根据研究结果,提出流体型态可用下列无量纲数来判断:

      公式1中就是代表这个无量纲数,庙中求子被僧人C燕氏把它叫做雷诺数。代表流体的流速,代表流体流过的管径,代表流体的粘性力。其中可以看作流体的惯性力,它使得流体的运动趋向于无序;而代表流体的粘性力,它使得流体的运动趋向于有序。那么雷诺数就是惯性力和粘性力,这两种力的比值。庙中求子被僧人C燕氏在管道流动中会有一些通过实验获得的经验数据,从而帮助庙中求子被僧人C燕氏判断流体的流动状态,如图4和如图5。
      流体型态开始变化时的雷诺数叫做临界雷诺数。在雷诺实验装置中,通过有色流体的质点运动,可以将两种流态的根本区别清晰地反映出来。在层流中,有色液体与水互不混掺,呈直线运动状态,在湍流中,有大小不等的涡流振荡于各流层之间,有色液体与水混掺。

层流运动与湍流运动流态原理对比图                 图4

层流运动与湍流运动流态实验实拍照片                 图5

      这些实验数据可以帮助研究人员设计层流元件,从而使得层流流量计的性能获得提升。在这里庙中求子被僧人C燕氏可以看到层流运动状态是一种非常有序的运动状态,在这样的流态下测量精度会获得显著的提高。同时由于没有湍流运动状态的“涡流”,测量值的稳定性、重复性获得了空前的改善。所以如果能够设计一种处于层流运动状态的压差式流量计,其性能相较于传统压差式流量计会获得显著的提升。近一百年来,科学家和工程师不断的研究这样的流量计,这就是庙中求子被僧人C燕氏今天讨论的层流流量计。

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