一、幾種基本流動狀態
1、穩定流與不穩定流
流體質點的各種運動要素僅因質點所在位置而異,不因時間t而變化,這種運動叫穩定流。如果各種運動要素都是位置(x,y,z)與時間(t)的函數,這種流動叫不穩定流。
2、漸變流與突變流
當流體運動有如下情況時,叫做漸變流。如圖所示,其特點是:
(1)流線之間的夾角β很小,即流線之間基本是等距的。
(2)流線的曲率半徑R最大,即流線接近直線(結合上一點,故流線接近平行),因而慣性力可忽略。不符合以上兩種情況的流動就是突變流。
3、均勻流與非均勻流
在漸變流中,凡是滿足以下兩個條件的,叫均勻流:
(1)沿流長度上各斷面的形狀和大小相同。
(2)同一條流線上的任意兩點上的流速相同。由此可見,均勻流是漸變流的極限情況。
只要不具有以上兩個條件中的任何一個,就是非均勻流。如下圖(a)所示的是不具備上述兩個條件的;(b)所示進口段不具備第二個條件;(c)所示的才同時具備兩個條件。
4、層流與紊流
流層與流層間沒有流體質點交換的流動,叫層流,反之即為紊流。
對于管流來說,當Re由大降低到2400以下時,即轉變為層流,當Re由小升高時,一般到13800即轉變為紊流。但也常常不固定,可以升高到105仍保持層流,這主要取決于來流穩定性。
由于在紊流狀態時流體是以無規則的相互摻混方式進行的,隨時間t而變化,所以紊流在實質上不是穩定流。但如果取一稍長的時段T,取其平均速度(也稱時均速),即
如果來流條件不變,雖然是紊流,也可以有不變的時均速,仍稱為穩定流。也就是說,對于這種紊流雖然不能畫出它的瞬時流線,但可以畫出時均流線。反之,如果沒有不變的時均速,當然是不穩定流了。在所研究的范圍內,遇到的是前一種情況。在潔凈室中,若從流動的雷諾數Re來考慮,則都屬于紊流流動。
二、紊流過程的物理狀態
1、紊流形成的過程
(1)渦體的形成。
(a)黏滯性。在流體的相對運動中,由于黏滯性而在流層之間產生切應力。對于某一L層來說,在它某一邊流速較大的流層加于它的切應力是順流向的,另一邊流速較小的流層加于它的切應力是逆流向的。因此對于這一L層來說,有構成力矩、促成渦體產生的傾向。
(b)波動性。如果因某種愿因使流層發生了垂直于流體運動方向的波動,則在凸起一邊,由于擠壓而使通過斷面減小,流速增大;反之,凹入一邊斷面增大,流速減小。這種兩邊流速的差異同樣進一步促成渦體的產生。
(2)渦體形成后脫離原流層,沖入鄰近流層。
一旦形成渦體,由于流速較大流層與渦體旋轉方向一致,流速較小流層與渦體旋轉方向相反,將使流速較大流層的流速更大,流速較小流層的流速更小。流速增大的地方壓力減小,流速減小的地方壓力增大,形成垂直于流向的壓差;當該壓差足以克服阻力后,就推動渦體脫離原流層,沖入鄰近流層。只要具備了在某些流層中形成渦體并沖入鄰層的這兩個條件,由于流動的連續性,勢必要進行渦體的交換和流體間的相互補充。由此而產生的紊亂將影響到更遠的流層。如果最初形成的渦體較強較多,則可以使整個流動狀態*改觀。
2、紊流的特點
根據上述對于紊流形成過程的物理狀態的分析,可以歸納出紊流有以下幾個特點:
(1)大的雷諾數。
(2)不規則性。
(3)擴散性。
(4)三度的渦動。
(5)由于黏性而使能量較快的消耗。
除上述特點外,紊流流動還取決于來流條件。如果來流不平靜,能產生微小的波動,也可促成渦體產生。這也說明為什么雷諾數沒有固定的上臨界值。