流体力学应用/B07：层流和湍流的应用

液体或气体通过管道或管道流动在加热和冷却应用以及流体分配网络中很常见。此类应用中的流体通常由风机或泵通过流道强制流动。因此，管道中存在两种类型的流动：层流和湍流，它们在不同的领域有许多应用。

层流和湍流

层流

当流体以最慢的速度移动时，会得到一条清晰的流线。因此，流体在管道中以层状缓慢移动，层与层之间没有太多混合。这种情况称为层流。

湍流

当流体以更快的速度移动时，会得到一条不规则的流线，它会使染料变得模糊并扩散。流线也会随着时间随机波动。因此，流体发生相当程度的混合，速度很高。这种情况称为湍流。

示例

如果你曾在吸烟者身边，你可能注意到香烟烟雾在最初的几厘米内会以平滑的烟流上升，然后在继续上升的过程中开始随机地向各个方向波动。其他烟流在下面的图中也表现出类似的行为。第一种情况下的流动状态被称为层流，其特征是平滑的流线和高度有序的运动，而第二种情况下的流动状态被称为湍流，其特征是速度波动和高度无序的运动。

雷诺数

流动状态主要取决于流体中惯性力和粘性力的比率。这个比率被称为雷诺数。流动主要由雷诺数决定。

$R_{e}={{\rho vD} \over \mu }$

其中

$\rho$→密度

$D$→管道直径

$v$→流体速度

$\mu$→粘度

因此，层流中的雷诺数应该小于2000，我们还应该知道湍流中的雷诺数应该大于4000。

层流和湍流的应用

血管中的流动

层流

层流是血液在大部分循环系统中流动时的正常状态。它的特点是血液的同心层沿着血管长度平行移动。最高速度（Vmax）位于血管中心。最低速度（V=0）位于血管壁上。当层流完全发展时，流动轮廓是抛物线的。这发生在长时间、直的血管中，在稳定的流动条件下。抛物线层流的一个实际意义是，当使用多普勒血流仪测量流动速度时，速度值代表血管横截面的平均速度，而不是流动流中心的最大速度。

湍流

通常，在人体中，血液流动是层流的。然而，在高流量的情况下，特别是在升主动脉中，层流可能会被打乱并变为湍流。当这种情况发生时，血液不会以线性和平滑的方式在相邻的层中流动，而是可以被描述为混沌流动。湍流也发生在大动脉的分支点，在患病和狭窄（狭窄）的动脉（见下图）。湍流增加了推动血液流动所需的能量，因为湍流增加了以摩擦形式损失的能量，从而产生热量。直到流速变得足够高以致流动层分离时，湍流才会开始发生。因此，随着血液流速在血管中或通过心脏瓣膜的增加，湍流不会逐渐增加。相反，当超过临界雷诺数（Re）时，就会发生湍流。