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亂流

turbulent flow

苟淵博
2002年12月
力學名詞辭典

名詞解釋:  黏性流體之流動,可以分類成兩種,即層流(laminar flow)及亂流。由實驗上得的知識是這樣的:黏性流體在流動上的慣性力(inertia force)可能受到黏性力(viscous force)的黏阻反作用。當黏性力大於慣性力,流體的運動呈現穩定滑潤的層流流狀,層流可能出現於流體之緩慢運動及蠕動(creeping motion),或通過較狹小的空間,或者因流體的黏度較大時。當慣性力大於黏性力時,通常成為亂流流狀(turbulent flow);亂流可能出現於較高流速運動,較大的流體系統(flow system),或者流體的黏度較小時。屬於此流體系統之慣性力與黏性力的比值,稱作Reynolds數。因此,此數乃關乎著由穩定的層流發展為亂流的關鍵。   一般實際流體的運動,多是亂流狀態,如:地球表面空氣層緊貼地面之流層;海洋面下之海流;海峽中之海流;天空的積雲等,都是在亂流運動。星際氣雲;地球受太陽風波及其背面的尾流,亦為亂流狀態。機翼上氣流壁流層內的流況;行進中的船體、車輛、飛行體及水中魚雷、潛艇等之尾流中,皆屬亂流流況;化工的調混程序;化學反應之加速;機械之燃燒程序等皆靠賴亂流之作用;以及明渠與管流之水流運動等,皆屬之。   亂流從定義上含有動亂、振亂、騷擾、混亂等意義。根據Taylor及Von Karman於1937年所歸納的定義為:「亂流為一種極不規則的流體運動,出現於當流體通過固體周界時,或者當接觸到不同速度的流體鄰域時」。從而可知,其流體中的機械量(mechanical quantities);如流速、壓力、或溫度等,會發生不規則而又瞬變(transient)的動亂(fluctuation)。其他重要的特徵為:調混作用及其所形成的擴散(diffusivity),三維漩渦動亂(three-dimensional vorticity fluctuations),即亂流中之漩渦非但為不規則的,且各級尺寸漩渦的主軸可以分佈成各種方向,只有在等向性亂流中,才相同的向各方向分佈,亂流之另一重要特徵,便是流體黏度對漩渦的衰消,所形成亂流能量之消失。亂流的不規則性以及其非線性的性質等,使其方程式之處理極為困難,至今關於亂流的學理尚未充分建立。

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