湍流

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基本介绍

读音: tuān liú

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湍流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,也称为稳流或片流;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,层流被破坏,相邻流层间不但有滑动,还有混合。这时的流体作不规则运动,有垂直于流管轴线方向的分速度产生,这种运动称为湍流,又称为乱流、扰流或紊流。

流体作湍流时,阻力大流量小,能量耗损增加。实验证明,能量耗损E与速度的关系为

△ E= kv2 式中k是比例系数,它与管道的形状、大小以及管道的材料有关。式中的v是平均流速。在自然间中,我们常遇到流体作湍流,如江河急流、空气流动、烟囱排烟等都是湍流。

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。一般管道雷诺数Re<2300为层流状态,Re>4000为湍流状态,Re=2300~4000为过渡状态。

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。

注:右图为当层流遇到障碍物时转变为湍流  

空气动力学中的湍流

空气动力学中的湍流指的是短时间(一般少于10min)内的风速波动。换言之,湍流指的是最高频谱峰值。

湍流产生原因主要有两个:

1.当空气流动时,由于地形差异(例如,山峰)造成的与地表的“摩擦”;

2.由于空气密度差异和气温变化的热效应空气气团垂直运动。

这两种运动往往相互关联。  

影响

湍流对飞行的影响

湍流是一种气流运动,肉眼无法看见,而且经常不期而至。引发湍流的原因可能是气压变化、急流、冷锋、暖锋和雷暴,甚至在晴朗的天空中也可能出现湍流。湍流并非总能被预测出来,雷达也发现不了它。

根据美国联邦航空局(FAA)的数据,湍流是导致机上非致命伤害的主要原因,但通常是因为乘客或机组人员没有系好安全带。

虽然湍流可能导致严重的头部撞击,但通常不大可能致命。据美国联邦航空局统计,从1980年到2004年6月,美国的飞机总共发生过198起湍流事故,导致266人重伤,3人死亡。

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