紊流的成因

摘录自 李玉柱《流体力学》：

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由雷诺实验可知，紊流与层流流态的根本区别在于流动中有无层间的掺混，而涡体的形成是产生这种横向掺混的根源。可以通过对涡体形成过程的分析来探讨紊流的成因。

涡体的形成与发展过程如图1所示，假定流动的初始流态为层流流态。由于实际流体的粘滞作用，在过流断面上的流速分布是不均匀的。因此速度较大的高速流层会通过摩擦切应力的形式拖动相邻的低速流层向前运动，而低速流层作用于高速流层的摩擦切应力表现为阻力。因此，对于图示任意流层而言，上下两侧的摩擦切应力构成顺时针方向的力矩，有促使涡体产生的倾向。

图1.png

由于外界干扰或来流中的残余扰动，所选定的流层会在局部发生微小波动。在流场中旋转着的涡体会受到横向升力的作用，顺时针方向的旋涡所受到的横向升力会沿着轴的正向。这种升力有可能推动涡体做横向运动，进入其他流层，从而发生紊流流态。

上述过程的发生发展的条件是：假定流场中不存在对初试局部扰动的抑制机制或抑制作用较弱，波动处的横向运动与涡体的横向运动的惯性相对较强。然而，实际流体的粘性同时具有抑制这种横向运动的作用。层流流态是否向紊流流态转换，实际上取决于惯性作用与粘性作用的相对大小。能够应用量纲分析的方法来说明雷诺数便是表征流体质点所受的惯性力与粘滞力之比。这正是雷诺数能够成为用于判断流态类型的重要参数的缘由。