3层流和紊流流动
层流与紊流
h f 4 h f 4 Q r0 d0 8l 128l
•圆管层流沿程损失（达西公式）
hf p f l 2 d 2g 64 Re
•圆管湍流沿程损失
l hf d 2g
2
(Re, ) d
Re
v D
惯性力 粘性力 vD
式中：v － 流体在圆管中的平均速度（m/s）； D－ 圆管内径（m） 。
惯性力愈大，层流趋向于紊流转变； 惯性力愈小，紊流趋向于层流转变。
流动状态的判别准则－雷诺数
对于在管内强制的流体，由层流开始向湍流转变： Recr 2320 层流（ Recr临界雷诺数 ）； Recr’ 13000 湍流（ Recr’上临界雷诺数 ）； 2320 ＜Re ＜ 13000 ，流动处于过渡区（不稳定）， 可能是层流、也可能是湍流。
平壁面绕流的边界层
4.1.2层流与湍流 层流与边界层
管内层流速度的发展
层流起始段长度（AC）：l = 0.065dRe
边界层（附面层Boundary Layer）：由速 度为零的壁面到速度分布“较均匀”的区域。 流体的粘性在贴近物面极薄的一层内主宰流 体运动。
湍流与湍流边界层
湍流：流体流动时，各质点在不同方向上作 复杂的无规则运动，互相干扰地向前运动。 湍流运动在宏观上既非旋涡运动，在微观上 又非分子运动。
•局部损失
hf
2
2g
雷诺实验 Reynolds (1882)
层流
过渡状态
湍流
4.1.1流体的流动状态 流场：流体为连续介质、流体由无数质点组 成，这些质点连续、彼此无间隙地充满空间， 这个质点运动的全部空间 流动分类：自然流动、强制流动。
层流和紊流
(1)层流 (1)层流 层流——在岩石空隙中渗流时，水的质点作有秩序、平行而互 在岩石空隙中渗流时，水的质点作有秩序、 层流 在岩石空隙中渗流时 不混杂的流动。 不混杂2)紊流 紊流——在岩石空隙中渗流时，水的质点作无秩序、互相混 在岩石空隙中渗流时，水的质点作无秩序、 紊流 在岩石空隙中渗流时 互相碰撞的流动。 杂、互相碰撞的流动。
紊流示意图
水作紊流运动时，水流所受到的阻力比层流状态大， 水作紊流运动时，水流所受到的阻力比层流状态大，消耗的 能量较多。 能量较多。
(3)层流与紊流流态判别 (3)层流与紊流流态判别 >>水流的雷诺数 >>水流的雷诺数
Re =
υd
v
式中: 雷诺数， 式中: Re—雷诺数，是一个无因次量； 雷诺数 是一个无因次量； υ—断面上水的平均流速； 断面上水的平均流速； 断面上水的平均流速 ν—运动粘滞系数，L2/T，表征水粘性的强弱； 运动粘滞系数， /T，表征水粘性的强弱； 运动粘滞系数 d—管径。 管径。 管径 >>从层流转化为紊流时的临界雷诺数，称为上临界雷诺数； 从层流转化为紊流时的临界雷诺数 >>从层流转化为紊流时的临界雷诺数，称为上临界雷诺数； 从紊流转化为层流时的临界雷诺数，称为下临界雷诺数。 从紊流转化为层流时的临界雷诺数，称为下临界雷诺数。 >>实验表明下临界雷诺数比较稳定， >>实验表明下临界雷诺数比较稳定，因此采用下临界雷诺数 实验表明下临界雷诺数比较稳定 作为层流和紊流的判别标准: (Rek)作为层流和紊流的判别标准: 水流状态为层流； Re<Rek，水流状态为层流； 水流状态为紊流。 Re>Rek，水流状态为紊流。
层流和紊流
层流和紊流cengliu he wenliu层流和紊流laminar flow and turbulent flow实际液体由于存在粘滞性而具有的两种流动形态。
液体质点作有条不紊的运动，彼此不相混掺的形态称为层流。
液体质点作不规则运动、互相混掺、轨迹曲折混乱的形态叫做紊流。
它们传递动量、热量和质量的方式不同：层流通过分子间相互作用，紊流主要通过质点间的混掺。
紊流的传递速率远大于层流。
水利工程所涉及的流动，一般为紊流。
雷诺数表征液流惯性力与粘滞力相对大小，可用以判别流动形态的无因次数，记作。
雷诺数的定义式为：[19-01]式中、、分别为液体的密度动力粘滞系数、运动粘滞系数；、为流动的特征速度和特征长度。
雷诺数小时,粘性效应在整个流场中起主要作用,流动为层流。
雷诺数大时，紊动混掺起决定作用，流动为紊流。
对于同样的液流装置，由层流转换为紊流时的雷诺数恒大于紊流向层流转换的雷诺数。
前者称上临界雷诺数，其值随试验条件而变，很不稳定；后者称下临界雷诺数，其值比较稳定，对于一般条件下的管流（圆管直径为特征长度，断面平均流速为特征速度），约为2300。
层流只存在粘滞切应力。
在简单的剪切流中，粘滞切应力：[19-02]式中[19-03]为剪切变形速度,亦即速度沿垂直方向的变化率；为动力粘滞系数,只和液体种类及温度有关的常数。
此式表达了著名的牛顿内摩擦定律。
层流中摩擦阻力及沿程水头损失均与流速的一次方成正比，流速分布呈抛物线型。
圆管层流流速分布如图1[ 层流和紊流流速分布比较]所示。
紊流又称湍流。
液体运动呈随机性，即速度、压强等均随时间、空间作不规则的脉动，是紊流的基本特征（图2[紊流流速脉动]）。
可采用时间平均法,将任一物理量的瞬时值分解为时均值与脉动值，即：[19-04]式中、、分别为某一点处沿方向的瞬时流速、时均流速与脉动流速；、、分别为某点处的瞬时压强、时均压强与脉动压强;为适当选取进行平均的时段。
紊流中除粘滞切应力外,[kg2]还有紊流附加切应力。
第二章 水流的紊动
普朗特混合长度理论
当同时进入中间流层的来自上面的微团在左、来自下面的微团在右时，它 们将以 2vx 的相对速度相互碰撞，受撞的微团向侧面散开。
当同时进入中间流层的来自上面的微团在右、来自下面的微团在左时，它 们将以 2vx 的相对速度分开，周围的流体将补充进来。
普朗特混合长度理论
用于底壁的切应力 0 hJ
根据理论与实测资料分析得到紊流切应力沿水深按
直线分布：
y
τ
γ(h
y)J
τ0 (1
) h
水力梯度,比降 坡度
z /h
紊动切应力的垂向分布
德国学者L.Prandtl在1925年提出的半经验紊流理 论。至今仍得到广泛的应用。在二元紊流中,由于垂 向脉动流速v′的作用,相邻各层间的流团相互掺混, 参与掺混的流团各自带有原前进方向的动量,随着相 互质量交换产生动量交换,并由此产生紊动，流团在 掺混过程中有一个平均自由行程L。
摩阻流速U*：
U*
ghJ
0
摩阻流速U*反映了水流的紊动情况，广泛应用在泥沙研究 中。
τ0是起动拖曳力，即泥沙处于起动状态的床面剪切力。
0 hJ U*2
（1）对数型流速分布公式，普朗特 （Th.von.Karman-L.prandtl）公式
umax u 1 ln h
8.5
1938年，keulegan(坎莱根)提出如下的对数型断面平 均流速公式：
U 5.5 5.75 lg( RU* )
U*
（水力光滑区） （2-19）
U 8.5 5.75 lg( R )
（水力粗糙区） （2-18）
U*
ks
简单解释层流与紊流的物理现象及其判别方法。
简单解释层流与紊流的物理现象及其判别方法。
层流和紊流在物理学上有许多不同的现象和特征。
层流是指液体或气体在管道或容器中流动时,其流动状态就像一层薄纱一样,层叠在一起,形成一个流动层。
在层流中,各个部分的流动速度相等,阻力小,并且液体或气体的流动方向沿着层流通道的垂直方向。
层流可以通过控制流体的速度和流量来调节流动。
紊流则是指液体或气体的运动状态不形成层流,而是像水流或气流一样,在各个方向都有很大的速度梯度。
在紊流中,液体或气体的流动方向混乱,没有明显的层流通道,阻力大,并且可以通过简单的管道设计来控制流体的速度和流量。
要判断层流和紊流,可以通过以下方法:
1. 通过观察流体流动的状态,如流动速度、流量、液面高度、压力等来确定流态是否为层流或湍流。
2. 使用声学方法,如听诊器法或干涉法,来检测管道中流体的湍流特征。
3. 使用流管模型和湍流模拟技术,通过计算流体的速度分布和
湍流特征来确定流态。
4. 使用可视化技术,如流谱图、三维激光扫描技术等,来观察流体的流动状态和湍流特征。
流体流动的类型与分类
流体流动的类型与分类流体力学是研究流体流动及其与固体的相互作用的科学。
流体力学的研究对象是连续介质及其运动状态，而流动是连续介质最基本的运动状态之一。
流体流动的类型和分类是流体力学研究的重要内容，本文将就流体流动的类型与分类展开论述。
一、流体流动的类型流体流动的类型主要有两种：一是层流，二是紊流。
1. 层流层流是指流体在管道或其他容器内沿着平行的流线有序地流动，各层流体相互之间没有交换和扩散。
在层流的情况下，流体的速度分布是对称的，压力分布也是均衡的。
层流的特点是稳定有序、局部速度小、剪切应力小，适用于一些需要稳定流动状态的应用领域。
2. 紊流紊流是流体流动的另一种类型，其特点是流线混乱、流动速度和压力的分布不规则。
紊流的流体会发生较大的混合和扩散，导致能量的大量损失。
由于流体内部存在涡旋和湍流等现象，紊流流动常常伴随着噪声和振动。
紊流通常发生在高速流动或复杂的流动情况下，如绕流体物体、湍流气体的燃烧等。
二、流体流动的分类根据流动的性质和流速的大小，可以将流体流动分为以下几种类型：一是稳定流动，二是非稳定流动，三是可压缩流动，四是不可压缩流动。
1. 稳定流动稳定流动是指流体的速度和压力分布在空间和时间上都保持不变的流动状态。
稳定流动具有确定的运动特性和稳定的物理性质，是流体应用研究和工程设计中最常见和最重要的流动类型。
2. 非稳定流动非稳定流动是指流体的速度和压力分布随时间和空间的变化而发生变化的流动。
这种流动状态通常包括起始阶段或终止阶段的不稳定过渡流动和周期性变化的振荡流动。
3. 可压缩流动可压缩流动是指流体在流动过程中会发生明显的密度和压力变化的流动。
可压缩流动常出现在高速流动，尤其是超音速流动的情况下。
在可压缩流动中，流体的压力波动和密度变化较大，需要考虑流动的速度和压力对流体力学性质的影响。
4. 不可压缩流动不可压缩流动是指流体在流动过程中密度基本保持不变的流动，即流体可以近似看作是不可压缩的。
层流运动与紊流运动
空气动力学中的层流与紊流
在空气动力学中，层流与紊流运动对飞行器的性能和 稳定性具有重要影响。
在空气动力学中，层流是指气流在飞行器表面平滑流 动的状态，而紊流则是指气流在飞行器表面发生紊乱 、分离的状态。层流通常具有较低的阻力系数和较高 的升力系数，因此对于飞行器的性能和稳定性具有积 极的影响。然而，当气流发生分离时，就会产生紊流 ，导致飞行器的阻力增加、稳定性下降。因此，现代 飞行器设计通常会采取措施来控制和减少飞行器表面 的气流分离，以保持层流状态。
04
层流与紊流的比较
运动特性比较
层流运动
流体在流动过程中，各层流体之间平 行且互不掺混，呈现出较为规则的直 线流动路径。
紊流运动
流体在流动过程中，各层流体之间互 相掺混，呈现出不规则的流动路径， 流速和方向随时间变化。
能耗比较
层流运动
由于层流运动的流速相对较小，流体之间的摩擦力也较小，因此层流运动所需的 能耗较低。
环境工程中的层流与紊流
在环境工程中，层流与紊流运动对水体的生态平衡和 水处理效果具有重要影响。
在环境工程中，层流运动通常有利于水体的生态平衡 和水质保持，因为层流下的水流具有较好的溶解氧含量 和较低的污染物浓度。例如，在自然河流中，层流状态 有助于水生生物的生存和水质的保持。而紊流运动则会 导致水体的溶解氧含量降低、污染物浓度增加，不利于 水体的生态平衡和水质保持。因此，在环境工程中需要 采取措施来控制和减少水体的紊流运动。
层流的特点
01
02
03
流线平行
层流运动中，流线基本保 持平行，没有明显的弯曲 和交叉。
速度分布均匀
在层流中，流体的速度分 布比较均匀，流速随位置 的变化较小。
流动稳定
层流与紊流的判断依据
层流与紊流的判断依据
层流与紊流是液体或气体在管道内流动时的两种流动状态，其判断依据主要取决于流动的层次性和稳定性。
层流是指在管道内，液体或气体是按照一定的轴向速度分布，呈现出同心圆柱层、每一层内流体的速度相等，两层之间的流体速度有连续的变化，且流线呈现直线或者平行线的规律。
层流的特点是流动稳定，流体之间没有明显的混合和交错，因此用于要求精度高的流量测量和精密的化学过程。
而紊流则是相反的，因为液体或气体在管道内遇到管道的弯曲、摩擦或其他阻力等因素时，就会受到扰动，使得流体速度和方向出现不规则的变化，交错混合在一起，呈现出咆哮声和涡流。
因此，紊流的特点是流动不稳定、混乱、各向异性和无规则性，如此特性使得紊流的用途范围十分广泛，比如研究热力学的相变、混合和传热。
总的来说，层流和紊流的区别在于流体速度分布的规则性和稳定性，层流的规律性较高，流速分布的误差小，而紊流分布的误差比较大，适用于粗略性的测量或者流体混合的过程。
层流与紊流的判断依据
层流与紊流的判断依据
层流和紊流是流体力学中的两个重要概念。
层流是指流体在管道内沿着一定的方向，呈现出层层叠加的状态，流速场中各点的速度相对稳定。
而紊流则是流体在管道内呈现出无序、混杂的状态，流速场中各点的速度随时间和空间的变化而变化。
判断流体运动状态是层流还是紊流，主要依据雷诺数。
雷诺数是一个无量纲的数值，定义为惯性力与粘性力之比。
当雷诺数小于一定值时，流体呈现出层流状态；当雷诺数大于一定值时，流体呈现出紊流状态。
这个临界值通常称为“临界雷诺数”。
另外，还有一些直观的特征可以帮助判断流体状态。
在层流状态下，流体的速度场、密度场和压力场均呈现出规则、对称、稳定的状态，且流体的能量耗散很小；而在紊流状态下，流体的速度场、密度场和压力场呈现出无规则、不对称、不稳定的状态，流体的能量耗散很大。
总之，层流和紊流是流体运动状态的两种不同表现形式，其判断依据主要是雷诺数和流体运动特征。
了解这些依据对于流体力学的研究和工程应用都具有重要意义。
- 1 -。
层流湍流紊流三者概念和区别
层流湍流紊流三者概念和区别
湍流（Turbulence）：是一种运动状态，能够在液体或气体中产生复杂的三维流动。
它的发生无须尺度控制，可以从微尺度开始，也可以从宏观尺度开始。
它是介于简单收敛流动和湍动结构之间的一种状态，最后可以引起液体中的能量转换。
多层流（Multilayer）：多层流是指空气层流中，两个层之间温度和密度发生明显变化，并且存在上下层间流动状态不同的构成。
即上下层间气源出现明显变化，上层空气相对于下层空气升速、气温较低，露点温度较低，层温及气源的变化作用使气体层之间发生上下层间湍流紊流。
紊流（Turbulence）：紊流是湍流的一种，是由于能量的释放和流动状态不均衡而发生持续性变动流动的一种流体非均匀运动状态。
它恰好是在尺度小于湍流尺度的液体流动中发生的，有规律的特性，相比湍流的无规律变化，它的能量释放速率也相对慢，所以我们称它为“紊流”。
从本质上来讲，湍流是一种无规则的非均匀运动的流体，涉及的尺度很大；而紊流是它的一种特殊亚类，涉及的尺度较小，具有一定的规律，能量释放速率也相对较慢，只能适用于某些特定应用场景中。
而多层流则是具有多层次结构，空气层间温度和密度发生明显变化，并且存在上下层间流动状态不同的一种复杂状态。
水力学层流和紊流的区别
水力学层流和紊流的区别水力学这门学科可真有趣，虽然听起来有点复杂，但其实它就像我们日常生活中的水流一样，既亲切又容易理解。
今天我们来聊聊层流和紊流这两个概念，搞清楚它们的区别，让你在朋友面前一开口就能让大家佩服得五体投地！1. 什么是层流？层流嘛，顾名思义，就是水流流动得像一层层的薄纱，轻柔而又有序。
想象一下，你在河边看到水面上的小溪，水流缓缓而过，毫无杂乱，像是在跳舞一样。
每一层水都是整齐划一的，就像学校里的小朋友排队放学一样，大家都很有秩序。
1.1 层流的特点层流的特点呢，首先就是速度不快，水流平稳，像是在散步。
水流中的每一小部分都保持着平行的状态，互不干扰。
你可以想象成一场优雅的芭蕾舞，舞者们一个接一个，轻巧而又灵动。
而且，层流的阻力比较小，这就意味着用更少的力气就能推动水流，简直是省力的好方法！在这样的情况下，流体的粘度显得尤为重要，水流越粘稠，层流的状态就越容易保持。
1.2 层流的应用说到应用，层流在生活中可是无处不在哦！比如，水管里的水流，慢慢流动的咖啡，甚至是一些工业流程中，层流都发挥着重要的作用。
在科研和工程设计中，层流的研究帮助我们设计出更高效的水利工程和管道系统。
简单来说，层流让我们的生活更加方便。
2. 什么是紊流？而说到紊流，那就是另一番光景了。
紊流就像是一场狂欢派对，水流像是被放开的小孩，四处乱跑，根本没有规律可言。
想象一下，你在一个热闹的音乐节上，周围的人都在随意舞动，场面混乱又兴奋。
这就是紊流的样子！2.1 紊流的特点紊流的特点就是混乱，水流速度快而且不规则，各种涡流、漩涡交织在一起，像极了疯狂的过山车。
水流中的每一部分都在不同的方向上舞动，互相影响、互相干扰。
就像在热锅上的蚂蚁，急匆匆、东奔西跑。
而且，紊流的阻力比层流大，流体的运动能量也更为复杂，因此需要更多的力量来推动。
2.2 紊流的应用那么，紊流又有什么用呢？虽然看起来乱糟糟的，但其实它在很多领域同样不可或缺。
层流和紊流与流速的关系
层流和紊流与流速的关系
层流和紊流是流体力学中两种不同的流动状态，它们与流速有
着密切的关系。
首先，让我们来解释一下层流和紊流的概念。
层流是一种流体
在管道或河道内以非常有序的方式流动的状态。
在层流中，流体沿
着平行的层流线流动，流速在不同层之间基本上是相等的，流体粘
度起着主导作用。
相反，紊流是一种流体以混乱、不规则的方式流
动的状态。
在紊流中，流体的速度和方向不断变化，形成涡流和湍流，流体内部的分子间相互作用和摩擦起着主导作用。
现在我们来谈谈它们与流速的关系。
在层流中，流速相对较低，流体沿着管道或河道内缓慢流动，因为流体内部分子间的粘滞阻力
较大，使得流速受到限制，流体呈现出比较有序的状态。
而在紊流中，流速相对较高，流体以混乱的方式快速流动，形成湍流和涡流，流速受到流体内部湍流运动的影响，流体呈现出混乱和不规则的状态。
此外，流速还与流体的黏度和密度有关。
在层流中，流速受到
流体黏度的影响，黏度较大时流速较低；而在紊流中，流速受到流
体密度的影响，密度较大时流速较高。
总的来说，层流和紊流与流速的关系是密不可分的。
流速的大
小和流体的状态密切相关，而流体的状态又受到流速的影响。
因此，我们需要综合考虑流速、流体黏度和密度等因素，才能全面理解层
流和紊流与流速之间的关系。
雷诺数层流和紊流的判据
雷诺数层流和紊流的判据
摘要：
1.雷诺数的定义和意义
2.层流和紊流的特性
3.雷诺数与层流、紊流的关系
4.雷诺数在工程应用中的判断标准
5.层流与紊流转变的临界雷诺数
6.工程中采用下临界雷诺数作为判断依据的原因
正文：
雷诺数是流体力学中一个重要的参数，它用于判断流体在管路中的流动状态。
根据雷诺实验，流体流动状态可分为两种类型：层流和紊流。
层流是一种有序、稳定的流动状态，流体在管道中呈线状，各层之间没有混合。
而紊流则是一种无序、不稳定的流动状态，流体在管道中形成涡流，各层之间相互混合。
层流和紊流的转变与流体的性质、流速、流体密度、管径等因素有关。
雷诺数是用于判断层流和紊流的关键指标。
一般来说，雷诺数小于2000时，流体处于层流状态；雷诺数大于4000时，流体处于紊流状态。
然而，在实际工程应用中，通常采用下临界雷诺数2320作为层流与紊流的分界点。
那么，为何认为上临界雷诺数无实际意义，而采用下临界雷诺数作为层流与紊流的判据呢？原因在于上临界雷诺数不稳定，变化范围大，约为
5000~40000，而下临界雷诺数较为稳定，约为2320。
在工程实际应用中，
下临界雷诺数更能准确地判断流体的流动状态。
在工程领域，了解和掌握雷诺数的重要性在于，它可以指导工程师正确选择流体输送设备、设计管道系统、确定流体输送参数等。
例如，在输送高压气体或液体时，通过雷诺数的计算，可以避免流体在管道中发生不必要的损失，提高输送效率。
总之，雷诺数作为层流和紊流的判据，在工程应用中具有重要意义。
层流和紊流的判别标准
层流和紊流的判别标准嘿，咱今儿就来唠唠层流和紊流的判别标准这档子事儿。
你说这层流啊，就好像是一群乖宝宝排着整齐的队伍往前走，安安静静，有条不紊。
那水流啊，或者其他流体，就那么平平稳稳地流动着，各走各的道，一点都不混乱。
再看看这紊流，哎呀呀，那可就热闹啦！就像一群调皮捣蛋的孩子，在那横冲直撞，你挤我我挤你，毫无秩序可言。
这流体啊在那闹腾得厉害，一会儿这儿打个漩儿，一会儿那儿冒个泡儿。
那怎么判别它们呢？这可得好好琢磨琢磨。
咱可以从流体的速度、管径这些方面入手。
比如说速度吧，如果流体跑得慢悠悠的，像个慢性子，那大概率就是层流啦；可要是它像脱缰的野马一样，疯跑起来，那十有八九就是紊流咯。
管径也很重要呢，就好比是一条路，路宽了，大家走起来就轻松，可能就是层流；路窄了，都挤在一起，那不就乱套啦，成紊流啦。
你想想看，咱生活中也有类似的情况呀！好比说马路上的车，要是都规规矩矩地开，那就是层流状态；可要是都乱变道、乱插队，那不就成了紊流啦，多危险呐！这判别标准就像是个裁判，能清楚地分辨出谁是乖宝宝，谁是调皮蛋。
还有哦，这流体的粘性也有关系呢。
粘性大的，就像胶水一样，能把流体粘得稳稳的，容易形成层流；粘性小的呢，就管不住流体啦，它们就容易撒欢儿，变成紊流。
这就好像是纪律一样，纪律严格，大家就老老实实的；纪律松散，那可就不好管啦。
咱再打个比方，过年放鞭炮的时候，那烟花喷出来的火舌，一开始是不是直直的，那就是层流嘛；可到后来，变得乱七八糟的，这不就是紊流嘛。
所以说啊，这判别标准其实就在我们身边，只要咱细心观察，就能发现好多例子呢。
那到底怎么判断呢？其实就是综合考虑这些因素呀。
不能光看一个方面，得全面地瞧。
就像看一个人，不能光看外表，还得看他的性格、行为啥的。
这层流和紊流也是一样，得从多个角度去分析，才能准确地判断出来。
总之呢，层流和紊流的判别标准可不是那么简单的，得下点功夫去研究。
但只要咱掌握了方法，就像找到了打开大门的钥匙，一下子就能搞清楚啦！这可不是啥难事，对吧？大家都可以试试哦！原创不易，请尊重原创，谢谢!。
层流和紊流掌握流体中不同的流动模式
层流和紊流掌握流体中不同的流动模式流体是一种可以流动的物质，其运动方式可以分为层流和紊流两种不同的流动模式。
层流是指流体在管道或通道中沿着特定的路径有序地流动，而紊流则是指流体在管道或通道中以混乱无序的方式流动。
理解和掌握流体中这两种不同的流动模式对于工程设计和科学研究具有重要的意义。
一、层流层流是指流体粒子在流动过程中以有序的方式保持着各自的路径和速度。
在层流中，流体粒子之间的相对运动是平行而且有序的，它们之间的质量和动量交换极小。
经过特定的管道或通道后，流体粒子的速度分布呈现出钟形曲线状。
这种流动模式通常发生在流体分子之间的相互作用力较强，流速较低的情况下。
层流具有以下几个特点：1. 流速稳定：层流中流体粒子的速度变化较小，流速稳定。
2. 温度分布均匀：由于流体粒子互不干扰，热量通过分子间的传导方式传递，使得温度分布较为均匀。
3. 能量损失小：由于流体粒子之间的相对运动较小，能量损失较小。
层流在实际应用中有广泛的应用：1. 实验室中的精密仪器，如激光切割机、电子显微镜等需要精确控制流动的设备，通常采用层流技术，以确保精度和稳定性。
2. 医疗领域的洁净室、手术室和药品生产车间等，采用层流技术可以有效防止细菌传播和污染。
3. 工业生产中的某些化学反应需要保持温度或浓度的稳定，层流可以提供稳定的流动环境。
4. 计算机芯片生产过程中，为了防止灰尘和杂质对芯片质量的影响，层流技术被广泛应用。
二、紊流紊流是流体在管道或通道中以混乱无序的方式流动，流体粒子之间存在着交换、碰撞和碰撞断裂等多种运动形式。
紊流的流动方式复杂多样，流体粒子的速度和方向经常变化，导致整个流动过程难以预测和理解。
紊流具有以下几个特点：1. 速度变化大：紊流中流体粒子的速度变化范围很大，从几乎静止到非常快速的流动都有可能出现。
2. 温度分布不均匀：由于流体粒子之间的相互作用引起能量交换，温度分布较为不均匀，出现湍流热传导。
3. 能量损失大：由于流体粒子之间的碰撞和剪切引起大量的能量损失，导致流动阻力增加。
层流紊流的定义
层流紊流的定义嘿，朋友们！今天咱来聊聊层流和紊流，这俩可有意思啦！你看啊，层流就像是一群排着整齐队伍前进的小朋友，一个挨着一个，有条不紊地走着。
水流啊或者气流啊，在层流状态下那可真是乖得很呢，它们沿着直直的线路，安安静静地流动，互不干扰。
这多有秩序呀，就好像我们生活中那些做事特别有条理的人一样。
再来说说紊流，哎呀呀，那可就完全不一样啦！紊流就像是一群调皮捣蛋的孩子，在那里乱跑乱撞。
水流或气流变得乱七八糟的，一会儿这儿拐一下，一会儿那儿旋一下，完全没有了规律。
就好像是一场混乱的狂欢派对一样！你想想看，我们家里的自来水管里的水，正常情况下那就是层流呀，静静地流出来，能好好地为我们服务。
可要是管道出了问题，或者水流受到了什么特别大的干扰，那可能就会变成紊流啦，说不定水就会乱喷呢！还有那风，有时候温柔地吹着，那就是层流状态嘛。
但要是遇到了狂风暴雨，那风就变得乱七八糟的，这就是紊流啦。
那层流和紊流在生活中有啥用呢？嘿嘿，用处可大啦！比如在一些工程设计里，工程师们就得考虑是要让流体保持层流状态呢，还是要利用紊流的一些特点。
要是想让流体安静地传输，那肯定得想办法保持层流呀。
但要是需要让流体充分混合或者散热，说不定就得让它变成紊流呢。
再比如飞机的翅膀，上面的气流可不能随便乱呀，得尽量保持层流，这样飞机才能飞得稳稳当当的。
要是气流变成了紊流，那可就麻烦咯，飞机可能就会颠簸起来，让人心里慌慌的。
总之呢，层流和紊流就像是流体世界里的两个小精灵，一个乖巧，一个调皮。
我们得了解它们，才能更好地和它们打交道呀！层流能给我们带来秩序和稳定，而紊流也有它独特的用处。
它们就像我们生活中的不同性格的人一样，各有各的特点，各有各的用处。
所以呀，可别小看了这层流和紊流哦，它们在我们的世界里可是有着大作用呢！。
工业管道紊流三流区的划分标准
工业管道紊流三流区的划分标准
工业管道紊流三流区的划分主要依据是雷诺数和流速的大小。
根据工程实践和流体力学理论，可以将工业管道流动划分为层流和紊流两种流动状态。
其中，紊流又可以进一步分为三个不同的流动区域，分别为初级紊流区、平稳紊流区和发展紊流区。
首先，层流是指流体粒子在管道内沿着一条固定方向排列，并且各层流体之间存在着相对运动的流动状态。
层流的雷诺数通常在2000以下，流速较低。
在层流状态下，流体的各种物理量（如速度、压力、浓度等）分布均匀，流动形状是非常有规律的。
层流状态下流体的流动沿着管道轴向，速度分布呈现出抛物线形状，各个流线之间不交叉，相互之间保持着流动方向相同、相对速度相对小的状态。
层流状态下，流体的湍流能量非常小，各个流线之间的相对速度也比较小。
紊流是指流体的速度、压力和浓度等物理量分布不均匀，并且随机变化的一种流动状态。
当雷诺数超过一定的临界值（通常为2000）时，流体会从层流状态变为紊流状态。
根据雷诺数和流速的大小，紊流又可以被细分为三个不同的流动区域。
初级紊流区是紊流发展的最初阶段，当雷诺数在2000-4000之间时，流动状态处于初级紊流区。
在初级紊流区域，流体开始出现一定的混合和湍流能量的生成，但整体的湍流结构还不稳定，顺序性较弱。
综上所述，工业管道紊流三流区的划分主要依据是雷诺数和流速的大小。
根据工程实践和流体力学理论，可以将工业管道流动划分为层流和紊流两种流动状态。
紊流又可以进一步分为初级紊流区、平稳紊流区和发展
紊流区。
通过对不同流动区域的划分，工程师可以更准确地了解和描述工业管道流动的特性，从而进行优化设计和操作。
层流和紊流的概念
层流和紊流的概念层流和紊流，这可是流体力学中超级有趣的概念啊！你知道吗，层流就像是一群训练有素的士兵，整整齐齐地前进。
流体在管道或渠道中平稳地流动，各层之间互不干扰，就那么有条不紊地按照既定路线行进。
那紊流呢，哎呀，这可就热闹啦！它就像是一场疯狂的派对，流体分子们疯狂地舞动、跳跃、相互碰撞！没有了那种整齐有序，而是充满了混乱和活力。
想想看我们的生活中，是不是也有层流和紊流的影子呀？有时候我们的日子过得平静如水，一切都按部就班，这多像层流呀。
但有时候呢，又会突然出现各种意外和惊喜，让生活变得乱糟糟却又充满刺激，这不就是紊流嘛！层流虽然平稳，但有时候会不会觉得少了点什么呢？而紊流虽然混乱，但也正因为它的不可预测性，才让生活变得更加丰富多彩呀。
在自然界中，层流和紊流也是无处不在呢。
河流在平缓的河段可能是层流，但遇到礁石或者地形变化时，就会变成紊流。
这就像是人生的道路，不可能永远一帆风顺，总会有起有落。
而且呀，层流和紊流可不是一成不变的哦！它们会根据条件的变化而相互转化呢。
就像我们的心情，可能这一刻还很平静，下一刻就因为某件事变得波涛汹涌。
我们身边的很多工程和技术都要考虑层流和紊流呢。
比如在管道输送中，要尽量保持层流状态以提高效率，但有时候又不得不面对紊流带来的挑战。
这不就像我们在追求目标的过程中，会遇到顺利的时候，也会有困难重重的时候吗？层流和紊流，它们是如此不同，却又都那么重要。
它们让流体的世界变得更加奇妙，也让我们的生活变得更加多样。
它们就像一对性格迥异的兄弟，各自有着独特的魅力和价值。
所以呀，不要只喜欢层流的平稳，也不要只讨厌紊流的混乱，要学会欣赏它们各自的美呀！总之，层流和紊流是流体力学中不可或缺的概念，它们在我们的生活和自然界中都有着广泛的体现。
我们要正确认识它们，利用它们的特点，让我们的世界变得更加美好。
气体输送管道中的流动特性分析
气体输送管道中的流动特性分析气体输送管道是现代工业生产中不可或缺的设备，它广泛应用于石油、化工、电力等行业。
管道中气体的流动状态对输送效率、能耗和安全保障等方面都有重大影响。
因此，分析气体输送管道中的流动特性具有重要的理论和实际意义。
一、气体输送管道中的流动状态及影响因素气体输送管道中的流动状态主要包括单相流和多相流。
单相流是指管道内只存在气体，流动状态分为层流、过渡流和紊流三种。
多相流则是指气体与固体颗粒或液态物质共同存在，流动状态比较复杂。
气体输送管道中的流动状态受到多种因素的影响。
首先是物理性质，如气体的密度、流速、粘度等。
其次是管道的几何形状及其内表面的光洁度，这两个因素影响着气体的摩擦阻力和流动速度，从而影响了流动状态。
此外，管道距离、温度、压力等参数也会对流动状态产生影响。
二、气体在输送管道中的流动规律气体在输送管道中的流动规律主要有两种，一种是层流，另一种是紊流。
层流是指气流在管道内的流动速度较慢，而且气体的流动速度分层有序，不产生涡流和扰动。
层流的条件是管道内气流速度较慢，粘性高，同时管道的直径、形状和管道内气体的压力、密度等参数也需要符合一定条件。
当管道内气流速度增大时，会出现紊流。
紊流是一种混乱的、无序的流动状态，气体不再分层有序流动，而是发生强烈的扰动。
紊流的出现，一方面增加了管道内气体的摩擦阻力，另一方面也会对管道产生损伤，从而带来安全隐患。
三、气体输送管道中的能耗分析气体输送管道的输送效率和能源消耗与管道内气体的流动状态密切相关。
层流状态下的摩擦阻力较小，能够降低能源消耗，但流速较慢，输送效率较低。
紊流状态下虽然能够提高输送效率，但摩擦力较大，能源消耗较高。
因此，在实际生产中需要综合考虑管道内气体流速、管道几何形状、设备配置等多种因素，选取合理的输送方案，以达到最优的效益。
四、气体输送管道中的安全分析气体输送管道在实际生产中扮演着连接设备和工艺流程的重要角色。
因此，对于管道的安全问题应该引起足够的重视。
层流跟紊流的一些方程
三维圆管流动状况的数值模拟分析在工程和生活中，圆管内的流动是最常见也是最简单的一种流动，圆管流动有层流和紊流两种流动状况。
层流，即液体质点作有序的线状运动，彼此互不混掺的流动；紊流，即液体质点流动的轨迹极为紊乱，质点相互掺混、碰撞的流动。
雷诺数是判别流体流动状态的准则数。
本研究用CFD 软件来模拟研究三维圆管的层流和紊流流动状况，主要对流速分布和压强分布作出分析。
1 物理模型三维圆管长2000mm l =，直径100mm d =。
流体介质：水，其运动粘度系数62110m /s ν-=⨯。
Inlet ：流速入口，10.005m /s υ=，20.1m /s υ= Outlet ：压强出口Wall ：光滑壁面，无滑移2 在ICEM CFD 中建立模型2.1 首先建立三维圆管的几何模型Geometry2.2 做Blocking因为截面为圆形，故需做“O ”型网格。
2.3 划分网格mesh注意检查网格质量。
在未加密的情况下，网格质量不是很好，如下图因管流存在边界层，故需对边界进行加密，网格质量有所提升，如下图2.4 生成非结构化网格，输出fluent.msh等相关文件3 数值模拟原理3.1 层流流动当水流以流速10.005m /s υ=，从Inlet 方向流入圆管，可计算出雷诺数500υdRe ν==，故圆管内流动为层流。
假设水的粘性为常数（运动粘度系数62110m /s ν-=⨯）、不可压流体，圆管光滑，则流动的控制方程如下：①质量守恒方程：()()()0u v w t x y zρρρρ∂∂∂∂+++=∂∂∂∂ (1-1)②动量守恒方程：()()()()()()()u uu uv uw u u u pt x y z x x y y z z x ρρρρμμμ∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂+++=++-∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂ (1-2)()()()()()()()v vu vv vw v v v pt x y z x x y y z z y ρρρρμμμ∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂+++=++-∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂ (1-3)()()()()()()()w wu wv ww w w w p t x y z x x y y z z zρρρρμμμ∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂+++=++-∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂ (1-4)式中，ρ为密度，u 、ν、w 是流速矢量在x 、y 和z 方向的分量，p 为流体微元体上的压强。
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3.3 圆管紊流流动
4. 紊流流动模型
4.1混合长度模型
y y+l L y
vx
dvx L dy
vx
y-l
x 普朗特混合长度模型
M SIT/MED
3.3 圆管紊流流动
4. 紊流流动模型
4.1混合长度模型 dy dy
2
湍流中的总摩擦应力=粘性切应力+附加切应力
管 流 局 部 阻 力
阻 力
绕流摩阻
综 合 阻 力
M SIT/MED
3.管流阻力
阻 力
流速增大，阻力增大
h L k f h L k f
流 体 流 动
计算通式
2 2 1 2 00 (1 t ) 2
Pa Pa
理论推导
注意：阻力计算用动能
k值计算方法
剪切力 力矩 压力差 力矩
1. 紊流的起因
漩涡的形成 流层产生波动
漩涡脱离原来的流层
M SIT/MED
3.3 圆管紊流流动
2. 紊流特征
vx vy
v
vx y x
vx′
vx
(b)
vx t
一个流体质点的运动路径 (a)
M SIT/MED
3.3 圆管紊流流动
某一时刻的 瞬时速度vx 时均速度vx 脉动速度v x
层流流动
M SIT/MED
3.2 圆管层流流动
已知：一种不可压缩流 体，在长度为L，半径为R 的圆管中做充分发展的稳 态层流流动。 求：管道中流体的速 度分布。
M SIT/MED
3.2 圆管层流流动
3.2.1微分方程的建立 方法： （1）微元体分析法 （2）N-S方程简化
M SIT/MED
3.2 圆管层流流动
M SIT/MED
第3章 管流流动
3.1 流体流动状态 3.2 圆管层流流动 3.3 圆管湍流流动 3.4 管流阻力
M SIT/MED
3.1 流体流动状态
1．雷诺实验
图3-1 雷诺实验装置
A－进水管；B－小容器；C，K－调节阀；D－玻管；E－玻管进口
M SIT/MED
3.1 流体流动状态
2．两种流动状态
M SIT/MED
3.2 圆管层流流动
3.2.2截面速度分布
d p1 p 2 ( r r ) g r dr L
积分上式得：
p1 p 2 r2 r r g C1 L 2
d z dr
r0
0
r
r0
0
C1=0
p1 p 2 r r g L 2
M SIT/MED
3.2 圆管层流流动
1 p1 p2 R2 4 L
3.2.3截面平均速度 r=0时，流速最大： max 截面上的平均流速为：
R 0
2 π r dr π R2
1 p1 p2 2 R 8 L
1 max 2
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3.3 圆管紊流流动
2 h f k f z 2 （5）求k： h f P P2 1
kf
16 L 64 L 64 L L z R 2 z d d Re d d
64 Re
层流下圆管的摩擦系数
hf
L 1 2 d 2
有利于紊流的形成
判别流体流动状态的标准： 雷诺数Re
d d 惯性力 Re 粘性力
M SIT/MED
3.1 流体流动状态
临界雷诺准数为Rec：流体流动从一种状态转变为
另一种状态的雷诺准数Re。
层流紊流 紊流层流 Rec上=13800 Rec下=2300
当Re Re c下时，为层流状态 当Re Re c 上时，为紊流状态 当Re c下 Re Re c 上时，为过渡状态
总 粘 附
dv x 2 d x d x y 总 ( x ) ( l ) dy dy dy d x d x ( ) eff dy dy
M SIT/MED
3.3 圆管紊流流动
4. 紊流流动模型
4.2 K-ε双方程模型 K方程
经验方法
但损失的是静压能
半理论、半经验方法
M SIT/MED
3.4.1 圆管层流摩阻
圆管层流摩阻（理论推导方法）：
建立微分方程
简化微分方程
推导步骤
求kf
求解微分方程
求平均流速
M SIT/MED
3.4.1 圆管层流摩阻
（1）建立微分方程：圆管内轴对称流动，可直接引用柱坐标系 连续性方程及动量平衡方程
紊流下圆管的摩擦系数
1
2.03 lg Re 1.02
Re=3×103~1×108 Re<105
0.3164 Re 0.25
布拉修斯公式
h f
1.75
M SIT/MED
3.4.2圆管内紊流摩阻
⑵ 粗糙圆管内的摩阻（实验方法）
d
△
管壁
绝对粗糙度
d 相对粗糙度
L 1 2 h f 00 (1 t ) d 2
Pa
注意：圆管层流摩阻与流速的一次方成正比！
M SIT/MED
3.4.2圆管内紊流摩阻
圆管内紊流摩阻： 理论推导方法思路与圆管层流相同
⑴ 光滑圆管内的摩阻（半理论、半经验方法） L 1 2 h f d 2
2 x x x 2 x 2 x 2 x y x p x ( x y z ) ( 2 2 2 ) ( x z ) x y z x x y z x y z
y p z ( x y z ) ( 2 2 2 ) ( ) x y z y x y z x y z y y y 2 y 2 y 2 y y x y
M SIT/MED
3.4.2圆管内紊流摩阻
M SIT/MED
3.4.2圆管内紊流摩阻
Re 2300
64 Re
Ⅰ
无关。 层流区：与Re有关，
Ⅱ 层流向紊流过渡的区域：变化不明显，2300<Re<4103，一 般按光滑区处理 Ⅲ 紊流光滑管流区：仅与Re有关，4103<Re<105 布拉修斯修正式： 尼古拉兹修正式：
M SIT/MED
3.2 圆管层流流动
3.2.2截面速度分布 d z r dr
r 2 1 p1 p2 z g R 2 1 4 L R
流体流过水平管道时：
1 p1 p2 ( R2 r 2 ) 4 L
K K eff K ( j ) ( ) G t x j x j K x j
eff
i i j G ( ) x j x j x j
ε方程
eff ( j ) ( ) (C1 G C 2 ) x j x j x j K C1 1.45, C 2 1.92, K 1.0, 1.3
2. 紊流特征
脉动
时均速度：瞬时速度在一段时间内的平均值
脉动速度时均值
x 0
y 0
z 0
因此，紊流流动时仅考虑时均速度
x
y
z
M SIT/MED
3.3 圆管紊流流动
3. 紊流流动的雷诺方程
连续性方程 y x z 0 x y z N-S方程
层流： 所有流体质点只 作沿同一方向的 直线运动，无横 向运动。
紊流： 流体质点作复杂的无 规则运动（湍流）。
过渡状态：从层流到紊流之间。
很慢 较大 大
层流 过渡态 紊流（湍流）
M SIT/MED
3.1 流体流动状态
结论
流速( ) 、密度( ) 、管径(d ) 粘度( )
M SIT/MED
3.3 圆管紊流流动
5. 管流速度分布
层流：抛物线型
紊流：盾头抛物线型
r 2 r max 1 ( ) R 1 max 2
r n r max (1－ ) R
0.82max
M SIT/MED
3.4 管流阻力
管流摩阻
一般取Rec = 2300
M SIT/MED
3.1 流体流动状态
4A d e S A－导管或设备的流通截面积，m2； S－被流体所浸润的导管或设备的周长，m。
当量直径de：
Kg m m m Kg 2 d s m3 s 惯性力 N N 粘性力 s m2
物理意义： Re数是一个无因次的变量组合，它从 本质上反映了惯性力和粘性力之比。惯性力越大， 越有利于紊流的形成，粘性力越大，越有利于保持 层流状态。
2
z y z z 2 z z z 2 z 2 z 2 z p ( x y z ) ( 2 2 2 ) ( x ) x y z z x y z x y z
M SIT/MED
M SIT/MED
3.1 流体流动状态
例3-1 设水及空气分别在内径d=80mm的管 中流过，两者的平均流速相同，均为 υ=0.3m/s，已知水及空气的动力黏度各为μ水 =1.5×10-3Pa〃s，μ空气=17×10-6 Pa〃s，又知 水及空气的密度各为ρ水=1000kg/m3，ρ空气 =1.293kg/m3，试判断两种流体的流动状态。
（2）简化微分方程：单向层流流动υz、不可压缩流体、稳定流动、 水平轴对称流动 （3）求解微分方程：在轴对称边界条件下对微分方程积分，求得 管内层流流速分布 （4）求平均流速：根据平均流速的计算式，得