基本介紹
- 中文名：臨界雷諾數
- 外文名：critical Reynolds FlUmber
- 所屬領域：空氣動力學
- 定義：轉變點處的雷諾數
- 相關試驗：雷諾試驗
- 研究對象：流體
由來,原理,雷諾試驗,
由來
雷諾根據大量的實驗發現，由層流轉變為湍流的轉變過程非常複雜，不僅與流速v有關，而且還與流體密度ρ、粘滯係數μ和物體的某一特徵長度d例如管道直徑、機翼寬度、處於流體中的球體半徑等）有關。他綜合以上各方面的因素，引入一個無量綱的量ρvd/μ，後人把這無量綱的參數命名為“雷諾數”。流體的流動狀態由雷諾數決定，雷諾數小時作層流，雷諾數大時作湍流。換言之：流速越大，流過物體表面距離愈長，密度越大，層流邊界層便愈容易變成湍流邊界層。相反，粘性越大，流動起來便愈穩定，愈不容易變成湍流邊界層。流體由層流向湍流過渡的雷諾數，叫做臨界雷諾數，記作Re。
對於圓形管道引入 Re= pvd/μ。實驗表明，流體通過圓形管道時其臨界雷諾數為Re≈2000—2600；通過光滑的同心環狀縫隙時 Re=1100；而在滑閥閥口處，Re=260。
原理
雷諾通過圓管內的黏性流動實驗，發現一定條件下層流轉化為湍流的控制因素是雷諾數Re。由層流轉變為湍流的雷諾數稱為臨界雷諾數Reα。它不是一個固定的值，依賴於外部擾動的大小。如果所受的擾動小，Reα較大；反之，Reα較小。
實驗證明：Reα的下界約為2000，當Re<2000時，黏性力的抑制作用占優，不管外部擾動有多大，管內流動總保持穩定的層流狀態。當Re>2000而小於某一上界時，流動出現不穩定，在管內(離入口較遠處)，層流與湍流共存。當Re大於某上界時，黏性力已無法抑制擾動的增長，導致流動失穩，成為隨機的脈動運動，即轉變為完全發展的湍流。
從空間角度看，即使Re>Reα，在管內中心沿流動方向也存在著層流區、過渡區和湍流區，這是因為管道入口處擾動由小到大的增長需要一定的時間，即需要經歷一定的空間區域，湍流不是在某一空間位置突然發生的。
雷諾試驗
早在19世紀初，就有人注意到流體在不同的流速範圍內，斷面流速分布和能量損失規律等都不相同。1883年，英國物理學家雷諾通過實驗揭示了流體的兩種不同的流動狀態。
在水箱A的側面開一個小孔，接一根進口為流線型管嘴的玻璃管丁，在玻璃管丁的末端裝有節門C以調節流量。在水箱的上部裝有儲存帶色液體的容器，用一根細管將帶色液體引至玻璃管丁的入口，其流量用節門E調節。
實驗前，先把水注入水箱中，利用溢流槽保持水位不變。然後，稍稍打開節門c，使水緩慢地由玻璃管T流出。打開節門E，使帶色液體也流入玻璃管中。此時在玻璃管丁內看到一條細線形狀的帶色液線。這說明液體質點在作互不干擾、各自成層的平行直線流動。
將節門C逐漸開大，玻璃管T內水的流速也逐漸增大，起初帶色液線並無變化，直到管內流速增大到某一數值時，帶色液線開始顫動和分散。
隨著玻璃管T內流速的繼續增大，達一定數值後，帶色液線不再連續，而是立即分散並與水相混淆。這說明液體質點已相互摻混，在雜亂無章地向前運動。
通過雷諾實驗人們認識到，流動存在以下三種不同的狀態。第一種，流體的質點之間互不摻混、質點的運動軌跡為有條不紊的層狀流動，稱為層流；第二種，流體的質點之間相互摻混、質點的運動軌跡為雜亂無章的流動，稱為紊流；第三種，表現為層流到紊流或紊流到層流的過渡，稱為過渡狀態。隨流速的變化而呈現不同的流動狀態，是自然界中一切流體運動普遍存在的物理現象。
