| 滯流與湍流的區(qū)分不僅在于各有不同的Re值，更重要的是它們的本質(zhì)區(qū)別，即： |
| 一、流體內(nèi)部質(zhì)點的運動方式 |
| 流體在管內(nèi)作滯流流動時，其質(zhì)點沿管軸作有規(guī)則的平行運動，各質(zhì)點互不碰撞，互不混合。 |
| 流體在管內(nèi)作湍流流動時，其質(zhì)點作不規(guī)則的雜亂運動，并相互碰撞，產(chǎn)生大大小小的旋渦。由于質(zhì)點碰撞而產(chǎn)生的附加阻力較由粘性所產(chǎn)生的阻力大得多，所以碰撞將使流體前進阻力急劇加大。 |
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圖1-16 點i的流體質(zhì)點的速度脈動曲線示意圖
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| 管道截面上某一固定的流體質(zhì)點在沿管軸向前運動的同時，還有徑向運動，而徑向速度的大小和方向是不斷變化的，從而引起軸向速度的大小和方向也隨時而變。即在湍流中，流體質(zhì)點的不規(guī)則運動，構(gòu)成質(zhì)點在主運動之外還有附加的脈動。質(zhì)點的脈動是湍流運動的最基本特點。圖1-16所示的截面上某一點i的流體質(zhì)點的速度脈動曲線。同樣，點i的流體質(zhì)點的壓強也是脈動的，可見湍流實際上是一種非定態(tài)的流動。 |
| 盡管在湍流中，流體質(zhì)點的速度和壓強是脈動的，但由實驗發(fā)現(xiàn)，管截面上任一點的速度和壓強始終是圍繞著某一個“平均值”上下變動。如圖1-16所示，在時間間隔θ內(nèi)，點i的瞬時速度ui的值總是在平均值上下變動。平均值ui為在某一段時間θ內(nèi)，流體質(zhì)點經(jīng)過點i的瞬時速度的平均值，稱為時均速度，即： |
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 （1-31）
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| 由圖1-16可知： |
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 （1-32）
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| 在定態(tài)系統(tǒng)中，流體作湍流流動時，管道截面上任一點的時均速度不隨時間而改變。 |
| 在湍流運動中，因質(zhì)點碰撞而產(chǎn)生的附加阻力的計算是很復(fù)雜的，但引入脈動與時均值的概念，可以簡化復(fù)雜的湍流運動，為研究帶來一定的方便，有關(guān)這一內(nèi)容已超越本教材的范圍。 |
| 二、流體在圓管內(nèi)的速度分布 |
| 無論是滯流或湍流，在管道任意截面上，流體質(zhì)點的速度沿管徑而變，管壁處速度為零，離開管壁以后速度漸增，到管中心處速度最大。速度在管道截面上的分布規(guī)律因流型而異。 |
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 （a）
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 （b）
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圖1-17 圓管內(nèi)速度分布
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| 理論分析和實驗都已證明，滯流時的速度沿管徑按拋物線的規(guī)律分布，如圖1-17(a)所示。截面上各點速度的平均值u等于管中心處最大速度umax的0.5倍。 |
| 湍流時，流體質(zhì)點的運動情況比較復(fù)雜，目前還不能完全采用理論方法得出湍流時的速度分布規(guī)律。經(jīng)實驗測定，湍流時圓管內(nèi)的速度分布曲線如圖1-17(b)所示。由于流體質(zhì)點的強烈分離與混合，使截面上靠管中心部分各點速度彼此扯平，速度分布比較均勻，所以速度分布曲線不再是嚴(yán)格的拋物線。實驗證明，當(dāng)Re值愈大時，曲線頂部的區(qū)域就愈廣闊平坦，但靠管壁處質(zhì)點的速度驟然下降，曲線較徒。u與umax的比值隨Re準(zhǔn)數(shù)而變化，如圖l-18所示。圖中Re與Remax分別以平均速度u及管中心處最大速度umax計算的雷諾準(zhǔn)數(shù)。
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圖1-18 u/umax與Re、Remax的關(guān)系
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| 既然湍流時管壁處的速度也等于零，則靠近管壁的流體仍作滯流流動，這一作滯流流動的流體薄層，稱為滯流內(nèi)層或滯流底層。自滯流內(nèi)層往管中心推移，速度逐漸增大，出現(xiàn)了既非滯漉流動亦非完全湍流流動的區(qū)域。這區(qū)域稱為緩沖層或過渡層。再往中心才是湍流主體。滯流內(nèi)層的厚度隨Re值的增加而減小。滯流內(nèi)層的存在，對傳熱與傳質(zhì)過程都有重大影響，這方面的問題，將在后面有關(guān)章節(jié)中討論。 |
| 上述的速度分布曲線，僅在管內(nèi)流動達到平穩(wěn)時才成立。在管入口附近處，外來的影響還未消失，以及管路拐彎、分支處和閥門附近，流動受到干擾，這些局部地方的速度分布就不符合上述的規(guī)律。此外，流體作湍流流動時，質(zhì)點發(fā)生脈動現(xiàn)象，所以湍流的速度分布曲線應(yīng)根據(jù)截面上各點的時均速度來標(biāo)繪。 |
| 三、淀體在直譬內(nèi)的流動阻力 |
| 流體在直管內(nèi)流動時，由于流型不同，則流動阻力所遵循的規(guī)律亦不相同。滯流時，流動阻力來自流體本身所具有的粘性而引起的內(nèi)摩擦，對牛頓型流體，內(nèi)摩擦應(yīng)力的大小服從牛頓粘性定律。而湍流時，流動阻力除來自于流體的粘性而引起的內(nèi)摩擦外，還由于流體內(nèi)部充滿了大大小小的旋渦。流體質(zhì)點的不規(guī)則遷移、脈動和碰撞，使得流體質(zhì)點間的動量交換非常劇烈，產(chǎn)生了前已述及的附加阻力。這阻力又稱為湍流切應(yīng)力，簡稱為湍流應(yīng)力。所以湍流中的總摩擦應(yīng)力等于粘性摩擦應(yīng)力與湍流應(yīng)力之和?？偟哪Σ翍?yīng)力不服從牛頓粘性定律，但可以仿照牛頓粘性定律寫出類似的形式，即： |
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 （1-33）
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| 式中的e稱為渦流粘度，其單位與粘度μ的單位一致。渦流粘度不是流體的物理性質(zhì)，而是與流體流動狀況有關(guān)的系數(shù)，有關(guān)內(nèi)容下面還要進行討論。 |
