湍流——跑出自己行车道乱撞的流动

weixin

层流是这样乱成湍流的
所谓层流就是流动与邻居没有混合，都老老实实在各自的车道上前行。如果流体世界里有行车道，流体敢压线跑就有交警开罚单，那么相信我，流体世界会永远保持层流状态。

层流就是这样老老实实在车道里跑

诱导层流变湍流的经典特征叫TS波。当前行速度有快有慢，流体产生了换道超车的动力，因此有了与流动方向垂直的横向流动，很快引起连环的转弯和碰撞。汽车只能在二维的马路上换道画出的是曲线，流体是在三维空间中换道形成的就是曲面轨迹了。当局部的混乱蔓延到大部分区域，在我们眼中成为一团乱麻，这就是湍流了。

均 匀--->有快有慢--->换车道--->湍流

诱发流动不均匀，最常见的就是壁面的粘性导致壁面速度为零，与主流速度产生了很大的差异。壁面的流体速度这么低当然不干了，向主流换道想跑快些，主流受到碰撞又反冲向壁面，于是靠近壁面的流体就被带着跑快了。

边界层的层流转捩为湍流

壁面上的粗糙度也是诱导湍流发生的因素，粗糙度就是壁面有很多细小的凸起和凹陷，这对于流体就是巨大的路障。流体只有绕行而过，难免与邻居发生碰撞，也许就诱发连环的碰撞，发展为湍流。当粗糙度小到流体不必绕行，粗糙度才不会诱导湍流发生。

如何保持层流
不让层流转捩为湍流，是很多设计师的梦想，因为湍流的摩擦阻力是层流的几十倍，要想大幅降低阻力，最好的办法就是保持物体的壁面是层流状态。既然层流变湍流的根本原因是乱换道，有个好方法是在壁面刻上细长的沟槽，等于给流体画好行车道，不让它换道，确实可以延迟层流变湍流，降低阻力。

为何又要诱发湍流
湍流也有好处，湍流意味着流体与相邻的流体发生频繁的碰撞，虽然会消耗能量，但是更有利于将高速流动与低速流动掺混，可以减小低速流动区域，这就是为什么湍流边界层的厚度低于层流边界层。

飞行器在大攻角飞行时，容易发生流动分离，导致突然失去升力而坠落。如果是层流，壁面的流动能量低，容易发生流动分离。如果是湍流状态，壁面的低速流动与主流强烈碰撞，汲取较多的能量抵御流动分离，可以适应大攻角飞行。设计员利用湍流的这个特点，在表面增加小凸起，诱导流动相互碰撞，使得层流变湍流，提高产生升力的能力。

判断湍流状态的雷诺数
判断一个流动是否会成为湍流，黄金准则就是雷诺数的大小。雷诺数越大则越容易是湍流，如果雷诺数小到一定程度，如何搅动流动都保持层流状态，打死不乱。

雷诺数=密度*速度*尺度/粘性系数

雷诺数代表流动内在的运动能力与粘性的比。跑得越快、尺度越大、粘性越小则发生湍流的可能性越大。当车开得快，道路宽，阻尼小，又没有交警管着，自然很容易乱套。但是当流体慢慢跑，流动起来的粘性又很大，流动空间很小，流动也不容易乱，马车在泥泞的乡间小道上跑，就是没有交警管也不会乱撞。

我还是喜欢湍流， 热烈地与四周交换能量，虽然前进的阻力大，但是更有活力。我要不断碰撞去汲取你们的能量，请你与朋友分享，让世界快乐地湍流！

来源：陆姐说微信公众号（ID：Lujieshuo2015），作者：陆宏志。