为什么说雷诺数是描述流体运动的重要数据?

看题主的困惑在于雷诺数和激发湍流(转捩)的关系。

事实上湍流并不是高雷诺数激发的,而是扰动激发的。

层流是流动的稳定状态,出现的扰动如果能够被抑制,流动就一直是稳定的层流;如果扰动无法被抑制,就会导致流动失稳,层流就转捩为湍流。(这里“稳定”、“扰动”的意思,和把一个圆球放在平面上、放在尖峰、放在谷底那个例子里的稳定性是一样的,扰动无处不在。)

转捩和雷诺数有什么关系?理论上,求解Orr-Sommerferd方程会给出某种扰动下雷诺数多大会发生转捩。题主若有兴趣,可以看看这方面内容(讲湍流的书上都会有)。

从物理上“感受”的话,雷诺数比较小的时候,就是粘性比较大,外来的扰动容易被粘性“吃掉”、消耗为热能;当雷诺数比较大时,粘性抑制不住扰动,于是就失稳了。就像对着缓慢流动的黏糊糊的油吹一口气,油也就晃动一下;但对着袅袅炊烟吹一口气,炊烟就会变得一团混乱。

如果题主有兴趣,还可以继续想想,如果对着以极高速度流动的空气(就是雷诺数非常大)吹一口气,空气会混乱吗?为什么?

需要讨论雷诺数的例子还有很多。

比如题主说了雷诺数代表流体惯性力和粘性力的比值,那么不同雷诺数的来流经过两个相同的平板,出口附面层厚度一样吗?壁面的粘性阻力一样吗?哪个更大?题主先不要做计算分析一下,然后再看看公式里雷诺数是怎样出现的。

这就是为什么有些实验希望保持雷诺数相等,对于简单的情况,只要雷诺数相等,即使速度、密度、粘度都不一样,附面层厚度、粘性阻力系数还是相同的。

再扯远一点,我们在分析湍流附面层内的速度分布时,定义了一个 y-plus(y+) 来表示与壁面的距离 。这个定义“恰好”又是一个用典型速度定义出的雷诺数(所以 y+ 又叫做旋涡雷诺数)。

题主猜一下,附面层内远离壁面时,粘性的影响力是在变大还是在变小?如果说 y+ 代表了典型旋涡的大小,那么是大旋涡还是小旋涡受粘性影响大?

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课程名称:工程流体力学

适用专业:能源与动力工程专业

先修课程:高等数学、大学物理、工程力学

一、课程的性质、目的及任务

工程流体力学是研究流体 ( 包括气体和流体 ) 的平衡和运动规律的科学。 它是一门横跨各领域,各不同专业的重要技术基础课。能源、动力、环境、设备、化工,航空、国防等领域均需要流体力学知识。 热能与动力工程专业学生尤其需要流体力学知识作为工程设计或从事其他专业技术工作的理论基础。通过本课程的学习,使学生掌握流体力学的基本概念, 基本原理和实验技能,为将来的学习和工作打下基础。工程流体力学相对于流体力学来说更重视专业实践,因此在本课程中对于流体力学一些不重要的公式或理论不进行推导或者进行简单推导。

第二章  流体及其物理性质

第三章  流体静力学

第四章  流体运动学和流体动力学基础

第五章  相似原理与量纲分析

第六章  管内流动和水力计算 液体出流

第七章  气体的一维流动

第八章  理想流体的有旋流动和无旋流动

第九章  黏性流体绕过物体的流动

第十章  气体的二维流动

(二)实验内容学时分配

1)了解静压、总压和动压之间的关系。

2)熟悉用能量观点解释水流速度变化时各测压管水头线高度变化的原因。

3)掌握伯努利方程的应用。

(1)通过观察玻璃圆管中的水流情况,形象的了解层流和紊流两种流态的特征,认识雷诺数在流态判别中的作用。

(2)理解文丘里流量计的工作原理并学会使用文丘里流量计进行流量测定。

管路沿程阻力损失和局部阻力损失

(1)了解实验设备和仪器。

(2)寻求摩擦阻力系数与雷诺数之间的函数关系。

(3)了解局部阻力损失的规律。

(4)掌握测定一般局部损失系数的实验方法,并测定管路突然扩大和突然缩小处的局部阻力系数值。

绕流圆柱体压力分布的测定

(1)测定圆柱绕流边界层的流速分布、压力分布及边界层的厚度。

(2)对比实验曲线与计算曲线,确定边界层内的流动状态。

三、课程的基本内容说明

了解流体力学的研究内容和研究方法,了解流体力学在工程技术中和教学计划中的地位。

重点:流体力学的研究内容和研究方法

难点:流体力学的研究内容和研究方法

掌握流体连续介质的假设,了解作用在流体上的力和流体的主要物理性质、液体的表面性质。

重点:流体的定义和特征、连续介质的假设、作用在流体上的力、流体的主要物理性质、液体的表面性质

难点:准确理解流体的连续介质的假设、流体的粘性和液体的表面张力等概念

掌握流体的静压强及特性、流体平衡微分方程式和流体静力学基本方程式的主要推导过程。掌握工程上常用的压强的计示及测量方法。掌握静止液体作用在平面和曲面上的总压力和静止液体作用在物体上的浮力。

重点:流体处于平衡状态的条件和压强的分布规律、平衡微分方程式、静力学基本方程式,压强的计示及测量方法

难点:流体处于平衡状态的条件和压强的分布规律、平衡微分方程式、静力学基本方程式

流体运动学和流体动力学基础

掌握流体运动的基本概念和基本方程以及研究流体流动的方法。广泛地深入地理解连续方程、动量方程与动量矩方程、能量方程。熟练掌握伯努利方程及其应用。

重点:连续方程、动量方程与动量矩方程、能量方程、伯努利方程及其应用。

难点:准确理解连续方程、动量方程与动量矩方程、能量方程的推导过程。熟练掌握伯努利方程及其应用

流体流动的力学相似性、动力相似准则、流动相似条件;熟练应用量纲分析法。

重点:量纲分析法的应用,几个重要的准则数(雷诺数、欧拉数、马赫数、柯西数、韦伯数等)的物理意义及其表达式

难点:相似原理和量纲分析法的应用

管内流动和水力计算 液体出流

熟练掌握工程上常见的和基本的流体流动的能量损失(沿程损失与局部损失)的计算过程,熟练应用莫迪图。准确理解粘性流体的两种流动状态(层流流动与紊流流动)的基本概念、分类。熟练计算管道中流体的水力过程。

重点:流体流动的沿程损失与局部损失的计算过程,莫迪图的应用;粘性流体的两种流动状态(层流流动与紊流流动)的基本概念、分类;管道中流体的水力过程的计算

难点:流体流动的沿程损失和局部损失的计算,管道中流体的水力计算

掌握流体一维流动中的声速和马赫数的基本概念和计算过程;了解气流的特定状态和参考速度、速度系数,以及正激波的概念;掌握变截面管流、等截面摩擦管流、换热管流中相应的一些定义量的概念和计算。

重点:微弱扰动的一维传播、声速、马赫数;变截面管流、等截面摩擦管流、换热管流

难点:微弱扰动的一维传播过程,变截面管流、等截面摩擦管流、换热管流中相应的一些定义量的计算

理想流体的有旋流动和无旋流动

掌握流体理想流体的有旋流动和无旋流动、相应运动微分方程和伯努利方程及其定解条件。了解有势流动、速度势和流函数的概念。了解简单的不可压缩流体的平面流动、平面无旋流动的叠加,以及平行流绕过圆柱体无环流的平面流动、有环流的平面流动。

重点:理想流体的有旋流动和无旋流动、相应的运动微分方程和伯努利方程及其定解条件;简单的不可压缩流体的平面流动、平面无旋流动的叠加

难点:有旋流动和无旋流动、相应的运动微分方程和伯努利方程及其定解条件;平行流绕过圆柱体无环流的平面流动、有环流的平面流动

黏性流体绕过物体的流动

掌握不可压缩粘性流体的运动微分方程,明确边界层的概念与分类及其微分方程和积分方程,熟悉流过平板的层流边界层、紊流边界层及混合边界层的近似计算。了解边界层的分离现象、绕过圆柱体的流动和卡门涡街的概念、以及流体的阻力和阻力系数的计算。了解边界层的控制方法。

重点:流过平板的层流边界层、紊流边界层及混合边界层的近似计算。了解边界层的分离现象、绕过圆柱体的流动的阻力和阻力系数的计算,边界层的控制方法

难点:不可压缩粘性流体的运动微分方程、边界层的微分方程与积分方程和流过平板的层流边界层、紊流边界层及混合边界层的近似计算

本章为超音速流动过程中出现的一些主要现象的描述和计算,只作一般了解。

1.掌握流体力学的基本概念,基本原理和实验技能。

2.掌握流体运动的基本规律,掌握流体力学的研究方法并适当运用到实践中去。

3.掌握该课程所涉及的基础理论知识,着重理解和掌握基本概念,能够灵活运用基础理论知识分析工程设计中出现的问题,具备一定程度的解決工程实际问题的能力。

工程流体力学》(第四版),孔珑主编中国电力出版社2014年。

《流体力学基础》,华大学工程力学系编,北京,机械工业出版社,上册1980年,下册1982年.

《流体力学》,江宏俊主编,上下册,北京,高等教育出版社,1985年.

六、考核方式(包括作业、测验、考试等及其所占比例)

1、考核方式:该课程考核方式为考试,采用闭卷笔试,考试时间为120分钟。

2、成绩综合评定:总成绩为百分制,包括平时成绩和期末考试卷面成绩两部分,其中平时成绩包括出勤、学习态度、作业、测验、课堂讨论、实验和实验报告等,占总成绩的30%,期末考试卷面成绩占总成绩的70%

教学方法:采用讲、练结合及实验辅助的教学方法。

1)课堂讲授:通过多媒体、板书结合,主要采用黑板教学的教学方法。

2)作业:通过课后作业使学生进一步巩固所学知识,掌握分析方法。

3)实验教学:通过实验教学加深及提升课堂教学内容。

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流体的流动状态属于层流或紊流,在一些实验装置中可以直观地看出。但实际上流体在管道中的流动状态,是无法靠直观来叛别的。雷诺通过长期试验研究,发现流体的流动状态与流速、管道直径和流体运动粘性等因素有关,并总结出判断流体状态的数值,称为雷诺数。因此,雷诺数是用来判断流体流动状态的标准。用Re表示。对一般无扰动因素的直管段来说,当雷诺数Re<2300时,流体流动状态为层流;当Re()时,流动状态为紊流。
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