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湍流——跑出自己行车道乱撞的流动

层流是这样乱成湍流的

所谓层流就是流动与邻居没有混合,都老老实实在各自的车道上前行。如果流体世界里有行车道,流体敢压线跑就有交警开罚单,那么相信我,流体世界会永远保持层流状态。


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层流就是这样老老实实在车道里跑

诱导层流变湍流的经典的特征叫TS波。当前行速度有快有慢,流体产生了换道超车的动力,因此有了与流动方向垂直的横向流动,很快引起连环的转弯和碰撞。汽车只能在二维的马路上换道画出的是曲线,流体是在三维空间中换道形成的就是曲面轨迹了。 当局部的混乱蔓延到大部分区域,在我们眼中成为一团乱麻,这就是湍流了。


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       均 匀------->有快有慢---->换车道--->湍流

诱发流动不均匀,最常见的就是壁面的粘性导致壁面速度为零,与主流速度产生了很大的差异。壁面的流体速度这么低当然不干了,向主流换道想跑快些,主流的受到碰撞又反冲向壁面,于是靠近壁面的流体就被带着跑快了。

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边界层的层流转捩为湍流

壁面上的粗糙度也是诱导湍流发生的因素,粗糙度就是壁面有很多细小的凸起和凹陷,这对于流体就是巨大的路障。流体只有绕行而过,难免与邻居发生碰撞,也许就诱发连环的碰撞,发展为湍流。 当粗糙度小到流体不必绕行,粗糙度才不会诱导湍流发生。


如何保持层流

不让层流转捩为湍流,是很多设计师的梦想,因为湍流的摩擦阻力是层流的几十倍,要想大幅降低阻力最好的办法就是保持物体的壁面是层流状态。既然层流变湍流的根本原因是乱换道,有个好方法是在壁面刻上细长的沟槽,等于给流体画好行车道,不让它换道,确实可以延迟层流变湍流,降低阻力。

 

为何又要诱发湍流

湍流也有好处,湍流意味着流体与相邻的流体发生频繁的碰撞,虽然会消耗能量,但是更有利于将高速流动与低速流动掺混,可以减小低速流动区域,这就是为什么湍流边界层的厚度低于层流边界层。


飞行器在大攻角飞行时,容易发生流动分离,导致突然失去升力而坠落。如果是层流,壁面的流动能量低,容易发生流动分离。如果是湍流状态,壁面的低速流动与主流强烈碰撞,汲取较多的能量抵御流动分离,可以适应大攻角飞行。 设计员利用湍流的这个特点,在表面增加小凸起,诱导流动相互碰撞,使得层流变湍流,提高产生升力的能力。


判断湍流状态的雷诺数

判断一个流动会是否会成为湍流,黄金准则就是雷诺数的大小。雷诺数越大则越容易是湍流,如果雷诺数小到一定程度,如何搅动流动都保持层流状态,打死不乱。


雷诺数=密度*速度*尺度/粘性系数

雷诺数代表流动内在的运动能力与粘性的比。跑得越快、尺度越大、粘性越小则发生湍流的可能性越大。当车开得快,道路宽,阻尼小,又没有交警管着,自然很容易乱套。但是当流体慢慢跑,流动起来的粘性又很大,流动空间很小,流动也不容易乱,马车在泥泞的乡间小道上跑,就是没有交警管也不会乱撞。


(来源:CAE集中营)