（已结束）2011-02-07-工控擂台-如何判断液压系统中的层流和紊流 点击：6679 | 回复：16
如何判断液压系统中流动的的液体是层流还是紊流？液体在管道中的流动状态和那些因素有关？
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流体在流动时，通过雷诺实验，可以看到存在几种不同的流动状态，为区别这些不同的流动状态一般将其定义为层流和紊流。在低速流动时，液体质点互不干扰，液体的流动呈线性或层状，且平行于管道轴线，此种流动状态称为在层流；当流速大时，液体质点的运动杂乱无章，除了平行于管道轴线的运动外，还存在着剧烈的横向运动，此种流动状态称为紊流。
层流和紊流是两种不同性质的流态。层流时，液体流速较低，质点受粘性制约，不能随意运动，粘性力起主导作用；但在紊流时，因液体流速较高，粘性的制约作用减弱，因而惯性力起主导作用。除此之外还还存在一种介于层流和紊流之间的状态------过渡状态。液体流动时究竟是层流还紊流，须用雷诺数来判别。雷诺数小，意味着流体流动时各质点间的粘性力占主要地位，流体各质点平行于管路内壁有规则地流动，呈层流流动状态。雷诺数大，意味着惯性力占主要地位，流体呈紊流流动状态，一般管道雷诺数Re＜2000为层流状态，Re＞4000为紊流状态，Re＝2000～4000为过渡状态。所以判断流动状态就要确定介质的临界雷诺数。
关于雷诺数：实验表明，液体在圆管中的流动状态不仅与管内的平均流速ｖ有关，还和管径ｄ、液体的运动粘度
有关，但是真正决定液流流动状态的是用这三个数所组成的一个称为雷诺数Re的无量纲数，即
液体流动时的雷诺数若相同，则它的流动状态也相同。另一方面液流由层流转变为紊流时的雷诺数和由紊流转变为层流的雷诺数是不同的，前者称为上临界雷诺数，后者为下临界雷诺数，后者数值小，所以一般都用后者作为判别液流状态的依据，简称临界雷诺数，当液流的实际流动时的雷诺数小于临界雷诺数时，液流为层流，反之液流则为紊流，常见的液流管道的临界雷诺数可由实验求得。
对于非圆截面管道来说，Re可用下式来计算
式中，R为通流截面的水力半径。它等于液流的有效截面积A和它的湿周(通流截面上与液体接触的固体壁面的周长)
之比，即
水力半径大小对管道通流能力影响很大。水力半径大，表明液流与管壁接触少，通流能力大；水力半径小，表明液流与管壁接触多，通流能力小，容易堵塞。
液体在管道中的流动状态，主要受临界雷诺数影响。而雷诺数受到流动状态、流速分布的影响，具体说包括v、ρ、η、r 等，分别为流体介质的流速、密度、黏性系数和特征线度（r 是与管道的形状有关的参数变量，不同形状时的r 的具体定义量不同，例如流体流过圆形管道，则r就定义为管道半径）。
3、三种流动状态，及其相关因素
紊流
紊流[1]是流体力学中的一个术语， 是指流体从一种稳定状态向另一种稳定状态变化过程中的一种无序状态。具体是指流体流动时各质点间的惯性力占主要地位，流体各质点不规则地流动。水利工程所涉及的流动，一般为紊流。
紊流一般相对“层流”而言。一般用雷诺数判定。雷诺数小，意味着流体流动时各质点间的粘性力占主要地位，流体各质点平行于管路内壁有规则地流动，呈层流流动状态。雷诺数大，意味着惯性力占主要地位，流体呈紊流流动状态，一般管道雷诺数Re＜2000为层流状态，Re＞4000为紊流状态，Re＝2000～4000为过渡状态。在不同的流动状态下，流体的运动规律．流速的分布等都是不同的，因而管道内流体的平均流速与最大流速的比值也是不同的。因此雷诺数的大小决定了粘性流体的流动特性。
层流
laminar flow
层流是流体的一种流动状态。流体在管内流动时，其质点沿着与管轴平行的方向作平滑直线运动。此种流动称为层流或滞流，亦有称为直线流动的。流体的流速在管中心处最大，其近壁处最小。管内流体的平均流速与最大流速之比等于0.5，根据雷诺实验，当雷诺准数[1]Re<2320时，流体的流动状态为层流。
粘性流体的层状运动。在这种流动中，流体微团的轨迹没有明显的不规则脉动。相邻流体层间只有分子热运动造成的动量交换。常见的层流有毛细管或多孔介质中的流动、轴承润滑膜中的流动、绕流物体表面边界层中的流动等。层流只出现在雷诺数Re（Re＝ρUL／μ)较小的情况中，即流体密度ρ、特征速度U和物体特征长度L都很小，或流体粘度μ很大的情况中。当Re超过某一临界雷诺数Recr时，层流因受扰动开始向不规则的湍流过渡，同时运动阻力急剧增大。临界雷诺数主要取决于流动形式。对于圆管，Recr≈2000，这里特征速度是圆管横截面上的平均速度，特征长度是圆管内径。层流远比湍流简单，其流动方程大多有精确解、近似解和数值解。层流一般比湍流的摩擦阻力小，因而在飞行器或船舶设计中，应尽量使边界层流动保持层流状态。
过渡流
过渡流是流体的一种流动状态。当流速很小时，流体分层流动，互不混合，称为层流，或称为片流；逐渐增加流速，流体的流线开始出现波浪状的摆动，摆动的频率及振幅随流速的增加而增加，此种流况称为过渡流；当流速增加到很大时，流线不再清楚可辨，流场中有许多小漩涡，称为湍流，又称为乱流、扰流或紊流。
这种变化可以用雷诺数来量化。雷诺数较小时，黏滞力对流场的影响大于惯性力，流场中流速的扰动会因黏滞力而衰减，流体流动稳定，为层流；反之，若雷诺数较大时，惯性力对流场的影响大于黏滞力，流体流动较不稳定，流速的微小变化容易发展、增强，形成紊乱、不规则的湍流流场。
流态转变时的雷诺数值称为临界雷诺数。一般管道雷诺数Re＜2300为层流状态，Re＞4000为湍流状态，Re＝2300～4000为过渡状态。
紊流：是指流体从一种稳定状态向另一种稳定状态变化过程中的一种无序状态。具体是指流体流动时各质点间的惯性力占主要地位，流体各质点不规则地流动。具有如下特点：
（1）紊流的不规则性（Irregularity）
紊流中流体质点的运动是杂乱无章、无规律的随机游动。但由于紊流场中含有大大小小不同尺度的涡体，理论上并无特征尺度，因此这种随机游动必然要伴随有各种尺度的跃迁。
（2）紊流的随机性（RandomBehavior）
紊流场中质点的各物理量是时间和空间的随机变量，它们的统计平均值服从一定的规律性。近年来随着分形、混沌科学问世和非线性力学的迅速发展，人们对这种随机性有了新的认识。
紊流的随机性并不仅仅来自外部边界条件的各种扰动和激励，更重要的是来自于内部的非线性机制。混沌的发现，大大地冲击了“确定论”，确定的方程系统并不象著名科学家Laplace所说的那样，只要给出定解条件就可决定未来的一切，而是确定的系统可以产生不确定的结果。混沌使确定论和随机论有机地联系起来，使我们更加确信，确定的Navier－Stokes方程组可以用来描述紊流（即一个耗散系统受非线性惯性力的作用，在一定的条件下可能发生多次非线性分叉（Bifurcation）而最终变成混乱的结构）。
（3）紊流的扩散性
由于紊流质点的脉动和混掺，致使紊流中动量、能量、热量、质量、浓度等物理量的扩散大大增加，明显大于层流的情况。
层流：流体在运动过程中，各质点完全沿着管轴方向直线运动，质点之间互不掺混、互不干扰的流动状态称为层状流动，简称层流。
层流与紊流的区别和特点：
层流：流速较小时，各流层的液体质点是有条不紊地运动，互不混杂。
紊流：流速较大时，各流层的液体质点形成涡体，在流动过程中，相互混掺。
层流紊流是一种人们为了研究液体的流动过程中假设的一个理想模型，在实际应用在没有绝对的紊流也没有决定的层流，因为介质在流动过程中管道不身器壁并不光滑，加上管道拐弯测量仪表的凸起、阀门的节流、垫片及流动的流速、介质的温度，造成介质在流动中不断的与物体发生碰撞，造成介质折向横向、行成紊流。而紊流的介质也有相对层间的运动，所以这个紊流、层流在实际应用中找不到一个理想的，只是一个模型。
我们研究层流、紊流是为了我们的需要，在检测管道中流量时，我们安装的仪表通常需要直管段，目的就是减少介质的紊流，增大介质的层流性。从而提高介质的测量精度。
因此管道中介质的层流紊流受介质的流速、温度、节流元件、管道弯头、阀门节流、检测仪表、泵出口等等影响，所以要想有一个比较稳定的层流介质，必须要有足够长的直管段。
层流：液体质点互不干扰，液体的流动呈线性或层状，且平行于管道轴线；
层流和紊流是两种不同性质的流态。
层流时，液体流速较低，质点受粘性制约，不能随意运动，粘性力起主导作用；
紊流时，液体流速较高，粘性的制约作用减弱，惯性力起主导作用。
2．雷诺数
实验表明真正决定液流流动状态的是用管内的平均流速v、液体的运动粘度ν、管径d三个数所组成的一个称为雷诺数Re的无量纲数，即
上临界雷诺数和下临界雷诺数
临界雷诺数：
当液流的实际流动时的雷诺数小于临界雷诺数时，液流为层流，反之液流则为紊流。常见的液流管道的临界雷诺数可由实验求得。
雷诺数的物理意义：影响液体流动的力主要有惯性力和粘性力，雷诺数就是惯性力对粘性力的无因次比值。
对于非圆截面管道来说，Re可用下式来计算 Re＝4vR/ν
式中 R为通流截面的水力半径。它等于液流的有效截面积A和它的湿周χ（通流截面上与液体接触的固体壁面的周长）之比，即 R＝A /χ
水利半径对管道通流能力影响很大，水利半径大，表明液流与管壁接触少，通流能力大；水利半径小，表明液流与管壁接触多，通流能力小，易堵塞。
紊流一般相对“层流”而言。一般用雷诺数判定。雷诺数小，意味着流体流动时各质点间的粘性力占主要地位，流体各质点平行于管路内壁有规则地流动，呈层流流动状态。雷诺数大，意味着惯性力占主要地位，流体呈紊流流动状态，一般管道雷诺数Re＜2000为层流状态，Re＞4000为紊流状态，Re＝2000～4000为过渡状态。在不同的流动状态下，流体的运动规律．流速的分布等都是不同的，因而管道内流体的平均流速与最大流速的比值也是不同的。因此雷诺数的大小决定了粘性流体的流动特性。
流体在管内流动时，其质点沿着与管轴平行的方向作平滑直线运动。此种流动称为层流或滞流，亦有称为直线流动的。流体的流速在管中心处最大，其近壁处最小。管内流体的平均流速与最大流速之比等于0.5，根据雷诺实验，当雷诺准数Re<2100时，流体的流动状态为层流。
粘性流体的层状运动。在这种流动中，流体微团的轨迹没有明显的不规则脉动。相邻流体层间只有分子热运动造成的动量交换。常见的层流有毛细管或多孔介质中的流动、轴承润滑膜中的流动、绕流物体表面边界层中的流动等。层流只出现在雷诺数Re（Re＝ρUL／μ)较小的情况中，即流体密度ρ、特征速度U和物体特征长度L都很小，或流体粘度μ很大的情况中。当Re超过某一临界雷诺数Recr时，层流因受扰动开始向不规则的湍流过渡，同时运动阻力急剧增大。临界雷诺数主要取决于流动形式。对于圆管，Recr≈2000，这里特征速度是圆管横截面上的平均速度，特征长度是圆管内径。层流远比湍流简单，其流动方程大多有精确解、近似解和数值解。层流一般比湍流的摩擦阻力小，因而在飞行器或船舶设计中，应尽量使边界层流动保持层流状态。
也就是说是层流还是紊流与不由速度决定，而由雷诺数决定
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