
【機】 laminar-turbulent transition
層流湍流間過渡期(英文:Transitional Flow)是流體力學中描述流體運動狀态從層流(Laminar Flow)向湍流(Turbulent Flow)轉變的中間階段。該階段兼具層流與湍流的特征,表現為流動不穩定性和隨機脈動的逐漸增強,是流體動力學研究的關鍵現象之一。以下從專業角度分層解釋:
層流(Laminar Flow)
流體分層運動,各層間無宏觀混合,質點軌迹平滑有序。其雷諾數(Reynolds number, Re)低于臨界值(如圓管流中 Re < 2300),黏性力主導流動。
來源:White, F. M. (2011). Fluid Mechanics. McGraw-Hill.
湍流(Turbulent Flow)
流體呈現高度無序運動,伴隨渦旋、脈動和強烈混合,慣性力占主導(Re > 4000)。能量耗散率顯著高于層流。
來源:Tennekes, H. & Lumley, J. L. (1972). A First Course in Turbulence. MIT Press.
過渡期(Transitional Flow)
介于層流與湍流之間的非穩态區域(通常 2300 < Re < 4000)。流動中局部出現間歇性湍流斑(Turbulent Spots),并隨雷諾數增大逐漸擴展至全域。
來源:Schlichting, H. & Gersten, K. (2017). Boundary-Layer Theory. Springer.
流動不穩定性
微小擾動(如壁面粗糙度、入口湍流度)被放大,觸發 Tollmien-Schlichting 波等不穩定模态,導緻層流結構破裂。
來源:Drazin, P. G. (2002). Introduction to Hydrodynamic Stability. Cambridge University Press.
湍流斑的形成與傳播
局部湍流區域以“斑點”形式隨機生成,隨主流向下遊擴散并合并,最終覆蓋整個流場。
來源:NASA Technical Report: "Transition in Wall-Bounded Flows" (2018).
間歇性(Intermittency)
同一位置流速信號交替呈現層流(低脈動)與湍流(高脈動)特性,由無量綱參數“間歇因子γ”量化(γ=0為純層流,γ=1為充分湍流)。
來源:AIAA Journal, Vol. 56: "Transition Modeling for High-Speed Flows" (2018).
阻力預測
過渡期摩擦阻力系數介于層流($C_f propto Re^{-1}$)與湍流($C_f propto Re^{-0.2}$)之間,精确建模對飛行器/管道設計至關重要。
來源:Anderson, J. D. (2010). Fundamentals of Aerodynamics. McGraw-Hill.
熱傳導效率
過渡區傳熱率顯著高于層流(如換熱器設計中需主動控制過渡位置以優化能效)。
來源:Incropera, F. P. et al. (2013). Principles of Heat and Mass Transfer. Wiley.
“Transitional Flow: 層流與湍流間的過渡态,以流速脈動出現為起始标志,至充分發展湍流終結。”
“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線上詞典資源,本文來源均基于經典流體力學著作及學術機構報告,建議通過ISBN或文獻索引查閱原文。
層流與湍流間的過渡期是流體力學中描述流動狀态從有序層流向無序湍流轉變的中間階段,具有以下特征:
過渡期指流動從層流狀态逐漸失穩、最終完全發展為湍流的動态過程。此時流體内部同時存在層流和湍流的混合特征,流場呈現非定常性和局部不穩定性。
雷諾數範圍(判斷依據)
流動特性演變
物理機制
在航空航天領域,過渡期位置直接影響飛行器表面摩擦阻力;化工設備中則需考慮此時傳熱效率的非線性變化。實驗觀測發現,過渡期持續時間與來流湍流度密切相關,高湍流度環境會顯著縮短過渡過程。
注:不同流動場景的臨界雷諾數差異較大,具體應用需結合幾何條件判斷。更多實驗數據可參考NASA Technical Reports等專業文獻。
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