流体流动类型与雷诺准数

流体的流动类型，首先由雷诺(Reynolds)用实验进行了观察。在雷诺实验装置(图1-14)中，有一入口为喇叭状的玻璃管浸没在透明的水槽内，管出口有调节水流量用的阀门，水槽上方的小瓶内充有有色液体。实验时，有色液体从瓶中流出，经喇叭口中心处的针状细管流入管内。从有色流体的流动情况可以观察到管内水流中质点的运动情况。

流速小时，管中心的有色流体在管内沿轴线方向成一条轮廓清晰的直线，平稳地流过整根玻璃管，与旁侧的水丝毫不相混合，如图1-15(a)所示。此实验现象表明，水的质点在管内都是沿着与管轴平行的方向作直线运动。当开大阀门使水流速逐渐增大到一定数值时，呈直线流动的有色细流便开始出现波动而成波浪形细线，并且不规则地波动；速度再增，细线的波动加剧，然后被冲断而向四周散开，最后可使整个玻璃管中的水呈现均匀的颜色，如图1-15(b)所示。显然，此时流体的流动状况已发生了显著地变化。

上述实验表明：流体在管道中的流动状态可分为两种类型。

当流体在管中流动时，若其质点始终沿着与管轴平行的方向作直线运动，如图1-15(a)所示，质点之间互不混合。因此，充满整个管的流体就如一层一层的同心圆筒在平行地流动，这种流动状态称为层流(laminar flow)或滞流(viscous flow)。

当流体在管道中流动时，若有色液体与水迅速混合，如图1-15(b)所示，则表明流体质点除了沿着管道向前流动外，各质点的运动速度在大小和方向上都有时发生变化，于是质点间彼此碰撞并互相混合，这种流动状态称为湍流(turbulent flow)或紊流。

根据不同的流体和不同的管径所获得实验结果表明：影响液体类型的因素，除了流体的流速外，还有管径d，流体密度ρ和流体的粘度μ。u、d、ρ越大，μ越小，就越容易从层流转变为湍流。雷诺得出结论：上述中四个因素所组成的复合数群duρ/μ，是判断流体流动类型的准则。

这数群称为雷诺准数或雷诺数(Reynolds number)，用Re表示。雷诺准数的因次是

上述结果表明，Re数是一个无因次数群。不管采用何种单位制只要Re中各物理量用同一单位制的单位，那所求得Re的数值相同。根据大量的实验得知Re≤2000时，流动类型为层流；当Re≥4000时，流动类型为湍流；而在2000＜Re＜4000范围内，流动类型不稳定，可能是层流，也可能是湍流，或是两者交替出现，与外界干扰情况有关。例如周围振动及管道入口处等都易出现湍流。这一范围称为过渡区(transition region)。

在两根不同的管中，当流体流动的Re数相同时，只要流体边界几何条件相似，则流体流动状态也相同。这称为流体流动的相似原理。