粘滞阻力是运动流体流态改变的技术条件研讨

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1、粘滞阻力是运动流体流态改变的技术条件研讨实验是流体力学研究流体运行规律、揭示其内在本质的重要手段和方法，因为实验更接近现实，更具有真实性。但由于实验受客观条件及人们观察能力的局限，最终所得结论未必是事物的本质。也就是说，尽管人类可以透过现象看本质，但所看到的现象未必都是本质。雷诺实验中就反映出了这样的问题。层流和湍流两种流态是英国著名科学家雷诺（Reynolds）1883年在管道流体（水）实验中发现的，并在实验原理中揭示出两种流态的变化规律。其中的观点为：在管径、流体密度和粘度（动力粘滞系数）等条件不变的情况下，

2、流速与流动状态相关。当流速小于某一数值时，流态为层流；当流速大于某一数值时，流态为湍流。流速增大，使层流转变为湍流；流速减小，使湍流转变为层流。这一观点被后人沿用至今。德国流体力学教授欧特尔在《普朗特流体力学基础》一书中也曾借助香烟冒出的烟气来描述层流到湍流的变化过程，并以图示。但笔者在烟气实验中发现：烟气上升从层流到湍流，流速不是在加快，而是在放慢。这一发现引发新的观点：在其它条件不变的情况下，流态改变不是取决于速度，而是粘滞阻力。这一观点是否合理，我们可通过分析以下两个实验得以证实。1对烟气上升现象的分析在空

3、气相对静止（无风力干扰）的环境下，我们观察香烟点燃后冒出的烟气：烟气从冒出到消散，其形状是由窄到宽的过程。刚冒出的烟气是细而集中的烟柱，上升时如同一条稳定的直线，距离热源最近的烟气颜色更淡，用手触摸此处会感到很烫，这里的烟气上升速度很快。随着烟气的升高，最初细而坚实的直线开始有些松散、变粗。在烟气继续升高时，开始出现波动，先是幅度不明显、频率不快的波动，逐渐发展成幅度较大、频率较快的波动。然后烟气开始慢慢散开，逐渐消失在空气中。消散时的烟气运动速度是全流程中最慢的（见图1）。通过对烟气实验的观察发现：烟气上升是温

4、差（忽略压差、惯性等因素）作用的结果。但随着烟气升高，与热源距离的拉大，温度下降。这时烟气本应在惯性作用下继续保持原速直线运动，但在空气阻力作用下（沿程阻力），烟气上升的速度在减缓，形状由细变粗。这说明烟气虽处层流状态，但内部的分子横向运动在增加，只是规模不大而已。随着烟气继续上升，而温度进一步下降，空气阻力进一步显现，烟气开始波动，并进入明显的整体横向移动，湍流就这样逐渐形成，随后向周边扩散，直至溶于空气之中。在这过程中，烟气和空气是通过流体特有的动力与阻力之间的变化关系体现了牛顿第三定律作用力与反作用力，作用

5、在同一条直线上，力的大小相等，方向相反，二者均属同一性质的力摩擦力。从图2中可以看出，尽管作用力与反作用力之间的划分方式有所不同，但它们之间的比例关系仍然是1∶1，只是需要一个渐变的过程。当烟气因温差作用而上升推动相对静止的空气时，空气为受力者；但烟气推动空气的同时，也受到空气的推力，所以烟气又为受力者。由于气体分子之间的相对运动是建立在相互接触的流体层内部，所以这种阻碍作用力属于摩擦力中的粘滞阻力。物理学认为：分子间有距离、分子间有相互作用力及运动无规则等特征是物质分子运动论的基本概念，由于液体分子间距远远小于

6、气体，所以在液体分子动量较小时，分子间距变化仅局限在分子力控制范围内，粘滞阻力主要体现在分子间的引力上，流体运动呈现规则性，所以称为层流；当液体分子动量较大时，由于分子间距已超出分子引力的控制范围，所以粘滞阻力主要体现在无规则动量交换的加大，流体运动呈现不规则性，所以称为湍流。由于气体分子间距远远大于液体，分子间虽然也有引力，但作用很小，所以无规则运动是气体分子运动中产生粘滞阻力的主要因素。气体只有在空气相对静止的特殊条件下才体现出层流状态，而在多数情况下都是湍流。为了强调烟气上升的粘滞阻力效果，使其更接近雷诺实

7、验，我们在烟气上升的某一高度放置一个顶端有孔的圆筒透明玻璃罩。观察发现：罩内少部分烟气被放走，多数烟气被拦住并与上升的烟气相混（局部阻力作用），产生的湍流还有向下延伸的趋势（见图3）。这证实了粘滞阻力是湍流形成的重要原因。2重新分析雷诺实验从烟气上升的观察和分析中得出结论：在其它条件不变的情况下，流态的改变取决于粘滞阻力，而不是流速。如果这一结论合理，那么在雷诺实验中也应得到证实。从雷诺实验中看到：湍流的最初形成是从管道阀门处开始的，这说明阀门与湍流产生密切相关。流体力学告诉我们：阀门处是管道中局部阻力的产生地。

8、所以说局部阻力对流态改变所产生的功效与笔者的观点不谋而合（在现实中体现更多的是沿程阻力对流态改变的作用）。流体力学认为：阀门是管道突然收缩而引起流体在流动中产生颈缩现象，由此而产生的旋涡是局部阻力的主要特征。笔者在同意这一观点的同时，还要强调的是颈缩现象与阀门打开程度的关系。为了剖析雷诺实验中湍流产生的原因，首先从层流产生时所需的必备条件谈起。雷诺实验中为了使染色流束保持