层流

相互剪切两层流体之间无相互掺混的流动状态

层流

层流（laminar flow）[0]是流体的一种流动状态，是指流体在流动过程中，相互剪切的两层之间没有相互掺混的流动状态。[2]常见的层流有细管的油流、毛细血管的血液流等。[9]1883年，英国科学家奥斯本·雷诺兹（Osborne Reynolds FRS）通过进行实验，发现了流体的运动有两种不同的流动状态，即层流和湍流。[7]之后，还引入了无纲常量雷诺数来判断层流和湍流，当雷诺数较小时，说明流动过程中黏性力起的作用较大，呈层流流动状态。一般管道雷诺数Re<2000为层流状态。[8][10][11]

层流（laminar flow）[1]是流体的一种流动状态，是指流体在流动过程中，相互剪切的两层之间没有相互掺混的流动状态。[3]常见的层流有细管的油流、毛细血管的血液流等。[10]

1883年，英国科学家奥斯本·雷诺兹（Osborne Reynolds FRS）通过进行实验，发现了流体的运动有两种不同的流动状态，即层流和湍流。[8]之后，还引入了无纲常量雷诺数来判断层流和湍流，当雷诺数较小时，说明流动过程中黏性力起的作用较大，呈层流流动状态。一般管道雷诺数Re<2000为层流状态。[9][11][12]

层流的特点是光滑的流体分子层相互平行。[2]在层流中，流体中每个点的速度、压力和其他流动特性保持恒定。水平表面上的层流可以被认为是由彼此平行的薄层或层流组成。与水平表面接触的流体是静止的，但所有其他层都相互滑动。[10]此外，层流速度分布呈抛物线形。[13]层流的应用比较广泛，比如飞机机翼设计，采用层流机翼设计和层流短舱设计可以降低30%的摩擦阻力。[5]又如层流罩、层流架等层流屏障的发明可以为生物医学提供洁净的实验环境。[6]

定义

层流是流体流动类型的一种，指流体在流动过程中，相互剪切的两层之间没有相互掺混的流动状态。[3]层流又称为滞流，流体质点始终沿着与管道中心线平行的方向流动，流体流速的大小沿断面按抛物线分布，紧靠管壁的流速为零，管中央流速最大，管中流体的平均流速为最大流速的1/2。[14]

湍流

湍流指的是相互剪切的两层流体之间存在相互的参混，流场中有不同尺度的涡。[3]层流到湍流的转变是与涡体的产生联系在一起的，设流体原来做近似直线的层流运动。由于某种原因的干扰，流层发生波动，于是在波峰一侧断面受到压缩，流速增大，压强降低；在波谷一侧由于过流断面增大，流速减小，压强增大。因此流层受到压差作用，这将使波动进一步加大，最终发展成涡体。一般雷诺数小于2000时，流体是稳定的，达到2000左右，会开始产生涡体，随之出现各流体掺混现象。[8]

层流与湍流
层流与湍流

简史

19世纪初期，人们通过实验研究和工程实践注意到流体运动有两种结构不同的流动状态，能量损失的规律与流态密切相关。[8]1883年，英国科学家奥斯本·雷诺兹（Osborne Reynolds ）通过进行实验，发现了流体的运动有两种不同的流动状态，即层流和湍流。[8]

雷诺
雷诺

之后，雷诺等人进一步的实验表明：流动状态不仅和流体的平均流速有关，还与管径、流体的密度和动力黏度等因素有关，进而引出了雷诺数的概念来分辨层流和湍流。[8]

特点

流体在管内低速流动时呈现层流，层流的特点是光滑的流体分子层相互平行，[2]且层流仅在流道较小、流体运动缓慢且粘度较高的情况下常见。在层流中，流体中每个点的速度、压力和其他流动特性保持恒定。水平表面上的层流可以被认为是由彼此平行的薄层或层流组成。与水平表面接触的流体是静止的，但所有其他层都相互滑动。[10]

层流示意图
层流示意图

举例

一般通过细管的油流或通过毛细血管的血液流是层流。此外，固体边界附近的流动通常是层流，特别是在紧邻表面的薄层中。[10]

层流示意图
层流示意图

速度分布

层流特征的抛物线形速度剖面如下图。在流体中心的产品元移动速度最快，所以这部分会早于近壁产品元离开系统。[13]

层流的速度分布
层流的速度分布

层流的曲线是相对于时间对称的形光滑曲线。在理想状态下，在平均停留时间之前和之后流出系统的产品各占50%。[13]

层流曲线图
层流曲线图

圆管中的甘油速度分布

甘油在圆管中沿管轴流速最大，由管轴到管壁，各层流速逐渐减小，管壁上甘油附着层流速为零。甘油在圆管中作层流时，其速度分布如下图，形成抛物线，从立体看呈抛物面形。[15]

甘油速度分布
甘油速度分布

与雷诺数的关系

雷诺数是一个可用来表征流体流动情况的无量纲数，是流体内部惯性力与与粘性力的比值，也称为黏性参数。利用雷诺数可以区分流体的流动是层流或踹流，也可用来确定物体在流体中流动所受到的阻力。[9][16]

其一般表达式为：

其中，代表雷诺数，为流体密度，为动力黏度系数，表示特征长度，表示特征速度。[9]

当雷诺数较小时，说明流动过程中黏性力起的作用较大，流动比较稳定，具有光滑、恒定的流体运动特征，呈层流流动状态。当雷诺数较大时，说明惯性力起的作用较大，脉动情况缺乏遏止的力量，流动就容易发生紊乱，呈湍流流动状态。一般管道雷诺数为层流状态，为湍流状态，为过渡状态。[9][11][12]

航空

层流技术在飞行器尤其是民用客机减阻方面具有较好的应用潜力。对现代大型民机，约50%的阻力来自于空气与飞机表面的摩擦阻力，采用层流机翼设计和层流短舱设计可以降低30%的摩擦阻力。[5]

飞机
飞机

生物医学

随着生物医学的发展，人们陆续发明了层流罩、层流架等层流屏障。层流架可提供洁净的环境，又便于实验操作，而成为洁净条件下进行动物实验的一个价廉而又可靠的屏障系统。[6]

层流架
层流架

化学

层流反应器是一种利用层流来研究化学反应和过程机理的反应器。[7][17]通过对Casson层流反应器停留时间分布的理论分析，可以建立此类反应器中连串反应产品分布的方程，并导出使中间产物收率达到最大所需满足的条件 ，从而在基础上进行最优产品分布的计算和设计。[18]

层流反应器
层流反应器

参考资料 18

  1. 参考 1
  2. 参考 2
  3. 参考 3
  4. pressure — hyperphysics
  5. 参考 5
  6. 参考 6
  7. https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0009250906001278?via%3Dihub
  8. 参考 8
  9. 参考 9
  10. laminar flow — britannica
  11. 参考 11
  12. 参考 12
  13. 参考 13
  14. 参考 14
  15. 参考 15
  16. 参考 16
  17. https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S001021800300227X?via%3Dihub
  18. 参考 18
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