流體力學應用/B07：層流和湍流的應用

液體或氣體透過管道或管道流動在加熱和冷卻應用以及流體分配網路中很常見。此類應用中的流體通常由風機或泵透過流道強制流動。因此，管道中存在兩種型別的流動：層流和湍流，它們在不同的領域有許多應用。

層流和湍流

層流

當流體以最慢的速度移動時，會得到一條清晰的流線。因此，流體在管道中以層狀緩慢移動，層與層之間沒有太多混合。這種情況稱為層流。

湍流

當流體以更快的速度移動時，會得到一條不規則的流線，它會使染料變得模糊並擴散。流線也會隨著時間隨機波動。因此，流體發生相當程度的混合，速度很高。這種情況稱為湍流。

示例

如果你曾在吸菸者身邊，你可能注意到香菸煙霧在最初的幾釐米內會以平滑的煙流上升，然後在繼續上升的過程中開始隨機地向各個方向波動。其他煙流在下面的圖中也表現出類似的行為。第一種情況下的流動狀態被稱為層流，其特徵是平滑的流線和高度有序的運動，而第二種情況下的流動狀態被稱為湍流，其特徵是速度波動和高度無序的運動。

雷諾數

流動狀態主要取決於流體中慣性力和粘性力的比率。這個比率被稱為雷諾數。流動主要由雷諾數決定。

$R_{e}={{\rho vD} \over \mu }$

其中

$\rho$→密度

$D$→管道直徑

$v$→流體速度

$\mu$→粘度

因此，層流中的雷諾數應該小於2000，我們還應該知道湍流中的雷諾數應該大於4000。

層流和湍流的應用

血管中的流動

層流

層流是血液在大部分迴圈系統中流動時的正常狀態。它的特點是血液的同心層沿著血管長度平行移動。最高速度（Vmax）位於血管中心。最低速度（V=0）位於血管壁上。當層流完全發展時，流動輪廓是拋物線的。這發生在長時間、直的血管中，在穩定的流動條件下。拋物線層流的一個實際意義是，當使用多普勒血流儀測量流動速度時，速度值代表血管橫截面的平均速度，而不是流動流中心的最大速度。

湍流

通常，在人體中，血液流動是層流的。然而，在高流量的情況下，特別是在升主動脈中，層流可能會被打亂並變為湍流。當這種情況發生時，血液不會以線性和平滑的方式在相鄰的層中流動，而是可以被描述為混沌流動。湍流也發生在大動脈的分支點，在患病和狹窄（狹窄）的動脈（見下圖）。湍流增加了推動血液流動所需的能量，因為湍流增加了以摩擦形式損失的能量，從而產生熱量。直到流速變得足夠高以致流動層分離時，湍流才會開始發生。因此，隨著血液流速在血管中或透過心臟瓣膜的增加，湍流不會逐漸增加。相反，當超過臨界雷諾數（Re）時，就會發生湍流。