1、 滞流与湍流的区分不仅在于各有不同的 Re 值，更重要的是它们的本质区别，即：一、流体内部质点的运动方式流体在管内作滞流流动时，其质点沿管轴作有规则的平行运动，各质点互不碰撞，互不混合。流体在管内作湍流流动时，其质点作不规则的杂乱运动，并相互碰撞，产生大大小小的旋涡。由于质点碰撞而产生的附加阻力较由粘性所产生的阻力大得多，所以碰撞将使流体前进阻力急剧加大。图 1-16 点 i 的流体质点的速度脉动曲线示意图 管道截面上某一固定的流体质点在沿管轴向前运动的同时，还有径向运动，而径向速度的大小和方向是不断变化的，从而引起轴向速度的大小和方向也随时而变。即在湍流中，流体质点的不规则运动，构成质点在主
2、运动之外还有附加的脉动。质点的脉动是湍流运动的最基本特点。图 1-16 所示的截面上某一点 i 的流体质点的速度脉动曲线。同样，点 i的流体质点的压强也是脉动的，可见湍流实际上是一种非定态的流动。尽管在湍流中，流体质点的速度和压强是脉动的，但由实验发现，管截面上任一点的速度和压强始终是围绕着某一个“平均值”上下变动。如图 1-16 所示，在时间间隔 内，点 i 的瞬时速度 ui 的值总是在平均值上下变动。平均值 ui 为在某一段时间 内，流体质点经过点 i 的瞬时速度的平均值，称为时均速度，即：（1-31）由图 1-16 可知：（1-32）在定态系统中，流体作湍流流动时，管道截面上任一点的时均
3、速度不随时间而改变。在湍流运动中，因质点碰撞而产生的附加阻力的计算是很复杂的，但引入脉动与时均值的概念，可以简化复杂的湍流运动，为研究带来一定的方便，有关这一内容已超越本教材的范围。二、流体在圆管内的速度分布无论是滞流或湍流，在管道任意截面上，流体质点的速度沿管径而变，管壁处速度为零，离开管壁以后速度渐增，到管中心处速度最大。速度在管道截面上的分布规律因流型而异。（a） （b）图 1-17 圆管内速度分布理论分析和实验都已证明，滞流时的速度沿管径按抛物线的规律分布，如图 1-17(a)所示。截面上各点速度的平均值 u 等于管中心处最大速度 umax的 0.5 倍。湍流时，流体质点的运动情况比较
4、复杂，目前还不能完全采用理论方法得出湍流时的速度分布规律。经实验测定，湍流时圆管内的速度分布曲线如图 1-17(b)所示。由于流体质点的强烈分离与混合，使截面上靠管中心部分各点速度彼此扯平，速度分布比较均匀，所以速度分布曲线不再是严格的抛物线。实验证明，当 Re 值愈大时，曲线顶部的区域就愈广阔平坦，但靠管壁处质点的速度骤然下降，曲线较徒。u 与 umax的比值随 Re 准数而变化，如图 l-18 所示。图中 Re 与 Remax分别以平均速度 u 及管中心处最大速度 umax 计算的雷诺准数。图 1-18 u/umax与 Re、Re max的关系既然湍流时管壁处的速度也等于零，则靠近管壁的流
5、体仍作滞流流动，这一作滞流流动的流体薄层，称为滞流内层或滞流底层。自滞流内层往管中心推移，速度逐渐增大，出现了既非滞漉流动亦非完全湍流流动的区域。这区域称为缓冲层或过渡层。再往中心才是湍流主体。滞流内层的厚度随 Re 值的增加而减小。滞流内层的存在，对传热与传质过程都有重大影响，这方面的问题，将在后面有关章节中讨论。上述的速度分布曲线，仅在管内流动达到平稳时才成立。在管入口附近处，外来的影响还未消失，以及管路拐弯、分支处和阀门附近，流动受到干扰，这些局部地方的速度分布就不符合上述的规律。此外，流体作湍流流动时，质点发生脉动现象，所以湍流的速度分布曲线应根据截面上各点的时均速度来标绘。三、淀体在
6、直譬内的流动阻力流体在直管内流动时，由于流型不同，则流动阻力所遵循的规律亦不相同。滞流时，流动阻力来自流体本身所具有的粘性而引起的内摩擦，对牛顿型流体，内摩擦应力的大小服从牛顿粘性定律。而湍流时，流动阻力除来自于流体的粘性而引起的内摩擦外，还由于流体内部充满了大大小小的旋涡。流体质点的不规则迁移、脉动和碰撞，使得流体质点间的动量交换非常剧烈，产生了前已述及的附加阻力。这阻力又称为湍流切应力，简称为湍流应力。所以湍流中的总摩擦应力等于粘性摩擦应力与湍流应力之和。总的摩擦应力不服从牛顿粘性定律，但可以仿照牛顿粘性定律写出类似的形式，即：（1-33）式中的 e 称为涡流粘度，其单位与粘度 的单位一致。涡流粘度不是流体的物理性质，而是与流体流动状况有关的系数，有关内容下面还要进行讨论。
