【NFX CFD与流体力学】：流体力学基本概念——从粘性到边界层与雷诺数

今天给大家分享流体力学中流体的粘性以及粘性跟边界层和雷诺数的关系。粘性是流体流动最基本的性质，粘性通过影响流体的物理性质，来影响流体的流动状态。

图2  不同粘度下圆柱绕流流动特性

1、流体的粘性

在流体力学中我们把这种粘稠的感觉定义为流体的粘性。

粘性是定义流体行为的基本参数，它的作用是使流体在流动过程中产生能量损失。为了解释这种流动过程中的能量损失，我们用一个流体流过固体平面的例子来解释粘性在流体流动过程中起到的作用。

类似于两个相对滑动的固体之间因为彼此摩擦而产生摩擦力，如图2所示。假设将流体流动分成若干层，其中每一层流体按不同的速度进行流动，两层不同速度的流动因为彼此间产生相对位移，而产生剪切应力，如图3所示。

图2  固体相对滑动产生摩擦力

图3  层流运动中不同流速的两层液体相对运动产生剪切应力

当液体内部的液层之间存在相对运动时，作用在流体层之间的前切应力大小与流速梯度du/dy密切相关，其中u为流速，y为流体与壁面的距离。在自由流动中流速梯度是相当小的，流动层能够以几乎相同的速度移动，因此这个时候剪切应力也将非常小；但是在靠近壁面附近，速度的变化将会增加，速度梯度变大，剪切应力也随之变大。

而这种剪切应力随速度梯度变化的规律，往往是线性的。其比例常数就是我们所说的流体粘度μ。

2、牛顿内摩擦定律

 

上面这个式子就是著名的牛顿内摩擦定律，遵守这个定律的流体被称为牛顿流体，他描述了流体流动的难易程度。这里的粘度 μ 有时也被称为动力粘度，与运动粘度ν区分，运动粘度等于动力粘度除以流体密度。μ动力粘度的单位为pa·s或者kg/(m·s)，而ν运动粘度的单位为㎡/s。

3、粘性与边界层和雷诺数之间的关系

粘性之所以在流体力学中如此重要，是因为它从根本上影响流体的行为方式。

当粘性出现在雷诺数方程中，用来表示粘滞力与流体惯性力之间的比值关系，雷诺数Re是用于判别流体流态的关键物理量，用来判断流动是层流或是湍流。高粘度流体的流动更可能是层流，因为任何小的湍流扰动更容易被较大的剪切应力抑制。

当粘性出现在边界层中，例如沿管道的压降。如果流体流动中没有粘性，管壁不会产生剪切应力，流动过程中就不会产生流动的速度损失。但是现实工程中粘性会使流体速度在近壁面区，也就是边界层中损失相当大的部分。对于管道近壁面损失的这部分速度，如果用动压来表示，就是我们说的流体流动沿管道的压降。

尽管我们在工程上进行流体仿真的时候，尽可能的忽略粘性的影响，关心流动在主流区域由质量力造成的损失。但是在计算管道沿程损失、飞行气动以及旋转机械内流特性的时候，这种粘性在边界层中的影响是很难忽略的。

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