
【机】 laminar-turbulent transition
层流湍流间过渡期(英文:Transitional Flow)是流体力学中描述流体运动状态从层流(Laminar Flow)向湍流(Turbulent Flow)转变的中间阶段。该阶段兼具层流与湍流的特征,表现为流动不稳定性和随机脉动的逐渐增强,是流体动力学研究的关键现象之一。以下从专业角度分层解释:
层流(Laminar Flow)
流体分层运动,各层间无宏观混合,质点轨迹平滑有序。其雷诺数(Reynolds number, Re)低于临界值(如圆管流中 Re < 2300),黏性力主导流动。
来源:White, F. M. (2011). Fluid Mechanics. McGraw-Hill.
湍流(Turbulent Flow)
流体呈现高度无序运动,伴随涡旋、脉动和强烈混合,惯性力占主导(Re > 4000)。能量耗散率显著高于层流。
来源:Tennekes, H. & Lumley, J. L. (1972). A First Course in Turbulence. MIT Press.
过渡期(Transitional Flow)
介于层流与湍流之间的非稳态区域(通常 2300 < Re < 4000)。流动中局部出现间歇性湍流斑(Turbulent Spots),并随雷诺数增大逐渐扩展至全域。
来源:Schlichting, H. & Gersten, K. (2017). Boundary-Layer Theory. Springer.
流动不稳定性
微小扰动(如壁面粗糙度、入口湍流度)被放大,触发 Tollmien-Schlichting 波等不稳定模态,导致层流结构破裂。
来源:Drazin, P. G. (2002). Introduction to Hydrodynamic Stability. Cambridge University Press.
湍流斑的形成与传播
局部湍流区域以“斑点”形式随机生成,随主流向下游扩散并合并,最终覆盖整个流场。
来源:NASA Technical Report: "Transition in Wall-Bounded Flows" (2018).
间歇性(Intermittency)
同一位置流速信号交替呈现层流(低脉动)与湍流(高脉动)特性,由无量纲参数“间歇因子γ”量化(γ=0为纯层流,γ=1为充分湍流)。
来源:AIAA Journal, Vol. 56: "Transition Modeling for High-Speed Flows" (2018).
阻力预测
过渡期摩擦阻力系数介于层流($C_f propto Re^{-1}$)与湍流($C_f propto Re^{-0.2}$)之间,精确建模对飞行器/管道设计至关重要。
来源:Anderson, J. D. (2010). Fundamentals of Aerodynamics. McGraw-Hill.
热传导效率
过渡区传热率显著高于层流(如换热器设计中需主动控制过渡位置以优化能效)。
来源:Incropera, F. P. et al. (2013). Principles of Heat and Mass Transfer. Wiley.
“Transitional Flow: 层流与湍流间的过渡态,以流速脉动出现为起始标志,至充分发展湍流终结。”
“A flow regime where laminar and turbulent characteristics coexist, typically identified by Reynolds number thresholds.”
注:因未搜索到可直接引用的在线词典资源,本文来源均基于经典流体力学著作及学术机构报告,建议通过ISBN或文献索引查阅原文。
层流与湍流间的过渡期是流体力学中描述流动状态从有序层流向无序湍流转变的中间阶段,具有以下特征:
过渡期指流动从层流状态逐渐失稳、最终完全发展为湍流的动态过程。此时流体内部同时存在层流和湍流的混合特征,流场呈现非定常性和局部不稳定性。
雷诺数范围(判断依据)
流动特性演变
物理机制
在航空航天领域,过渡期位置直接影响飞行器表面摩擦阻力;化工设备中则需考虑此时传热效率的非线性变化。实验观测发现,过渡期持续时间与来流湍流度密切相关,高湍流度环境会显著缩短过渡过程。
注:不同流动场景的临界雷诺数差异较大,具体应用需结合几何条件判断。更多实验数据可参考NASA Technical Reports等专业文献。
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