湍流

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基本介紹

讀音: tuān liú

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湍流是流體的一種流動狀態。當流速很小時,流體分層流動,互不混合,稱為層流,也稱為穩流或片流;逐漸增加流速,流體的流線開始出現波浪狀的擺動,擺動的頻率及振幅隨流速的增加而增加,此種流況稱為過渡流;當流速增加到很大時,流線不再清楚可辨,流場中有許多小漩渦,層流被破壞,相鄰流層間不但有滑動,還有混合。這時的流體作不規則運動,有垂直於流管軸線方向的分速度產生,這種運動稱為湍流,又稱為亂流、擾流或紊流。

流體作湍流時,阻力大流量小,能量耗損增加。實驗證明,能量耗損E與速度的關係為

△ E= kv2 式中k是比例係數,它與管道的形狀、大小以及管道的材料有關。式中的v是平均流速。在自然間中,我們常遇到流體作湍流,如江河急流、空氣流動、煙囪排煙等都是湍流。

這種變化可以用雷諾數來量化。雷諾數較小時,黏滯力對流場的影響大於慣性力,流場中流速的擾動會因黏滯力而衰減,流體流動穩定,為層流;反之,若雷諾數較大時,慣性力對流場的影響大於黏滯力,流體流動較不穩定,流速的微小變化容易發展、增強,形成紊亂、不規則的湍流流場。

流態轉變時的雷諾數值稱為臨界雷諾數。一般管道雷諾數Re<2300為層流狀態,Re>4000為湍流狀態,Re=2300~4000為過渡狀態。

有效地描述湍流的性質至今仍然是物理學中的一個重大難題。

註:右圖為當層流遇到障礙物時轉變為湍流  

空氣動力學中的湍流

空氣動力學中的湍流指的是短時間(一般少於10min)內的風速波動。換言之,湍流指的是最高頻譜峰值。

湍流產生原因主要有兩個:

1.當空氣流動時,由於地形差異(例如,山峰)造成的與地表的「摩擦」;

2.由於空氣密度差異和氣溫變化的熱效應空氣氣團垂直運動。

這兩種運動往往相互關聯。  

影響

湍流對飛行的影響

湍流是一種氣流運動,肉眼無法看見,而且經常不期而至。引發湍流的原因可能是氣壓變化、急流、冷鋒、暖鋒和雷暴,甚至在晴朗的天空中也可能出現湍流。湍流並非總能被預測出來,雷達也發現不了它。

根據美國聯邦航空局(FAA)的數據,湍流是導致機上非致命傷害的主要原因,但通常是因為乘客或機組人員沒有系好安全帶。

雖然湍流可能導致嚴重的頭部撞擊,但通常不大可能致命。據美國聯邦航空局統計,從1980年到2004年6月,美國的飛機總共發生過198起湍流事故,導致266人重傷,3人死亡。

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