【小王说流体】基础技能get！无痛苦了解流体中的粘性与雷诺数！
大家好，我是小王，不是隔壁的那个小王，欢迎观看本期的《小王说流体》。最近的天气真的是变 态啊，各位工程师来这里看下流体的各种奇奇怪怪，希望能给您带来一丝炎炎夏日里的清凉。
话说领导昨天又双叒叕找茬小王了。
领导：“小王啊，你是怎么理解流体中旋涡的呢？”
小王：“旋涡对于CFDer，就像工作对于打工人，因为有了涡，我们流体仿真因为流场里各种不同的涡，计算才有意义；但是我们又讨厌涡，涡的生成和变化常常令我们脑袋很大!（委婉的微笑）”
领导：“那你能解释一下流体中旋涡是怎么生成的吗？”
小王：“那请领导你速度关注我们本期的小王说流体！”
话分两头，各表一边，大家总是会在生活里看到各种各样的旋涡，这些旋涡或美丽或平常，美的旋涡像梵高的星空，或明或暗的星空中，星云奔卷舒腾，这些夜空下旋曳涡卷的星云其实就是气体产生的旋涡。平常的旋涡像河水流过建筑，在建筑下游留下一段涟漪。图1 梵高星空 
图2 水流经建筑形成的涡流扰动
那么这些空气中或水中的旋涡是怎么形成的呢？这就要提到流体的一个基本性质，流体的粘性。旋涡是流体粘性的表观现象，现实生活中存在许多大家看得见或看不见的流体涡流运动，在这些涡流运动中起本质作用的是流体中的粘性力和惯性力。进一步地旋涡的产生，可以看做粘性力和惯性力的博弈。 从流态上讲流体的流动状态分为两种，一种为层流流动，一种为湍流流动。涡只在湍流中产生，而涡产生的本质原因是流体中粘性力和惯性力的博弈，那么我们在这里将旋涡和粘性的关系引申为湍流和粘性的关系。
北航的陆士嘉教授非常形象的说过：流体的本质就是涡，因为流体经不住搓，一搓就搓出了涡。这里的搓实际上形象的指明了粘性与湍流中涡的关系。搓也就是流体粘性，在流体力学理论中的科学表达为牛顿内摩擦定律，流体的粘性力的大小与流体的性质有关，并与流体的速度梯度和接触面积成正比。 流体粘性系数μ也就成了后来我们描述流体基本性质的一个常用物理量。粘性越大的流体，在流动过程中越不容易产生湍流，并且越不容易流动，也就是大家生活中常用到的牙膏、胶水、沥青等等，这些流体的粘性相对于水来说非常大；而粘性越小的流体，在流动过程中越容易产生扰动。 那么我们又如何描述粘性与流体流动状态的关系呢？这里就要提到大名鼎鼎的雷诺数和雷诺实验了。
大家可以直观的在生活中感受到同一种流体在流速非常大和流速非常小的情况下，流速大的流体其流动状态更倾向于混乱和曲旋；同时两种粘性不同的流体在流速相同的情况下，粘性小的流体流动也是更加混乱和曲旋。这就是粘性力和惯性力在流体流动中的作用，也就是前面讲到的粘性力和惯性力的博弈结果，而这种结果体现在流体流动状态里其表现为流体的湍流流动。 那么我们把这种流体中的博弈结果用雷诺数来表述：流体的惯性力和粘性力的比值，为无量纲数。 在流体运动过程中，当雷诺数Re非常小时，其粘性力占主导，而惯性力影响较小甚至可以忽略时，可以将其视为粘性流动。而当雷诺数Re适中的时候，我们可以将其看做平稳变化的层流运动。当雷诺数Re进一步增大到一定程度，在流体运动过程中惯性力占主导地位，而粘性力影响较小时，这时高雷诺数很可能意味着湍流的出现，对于湍流，流速的时间平均上是缓慢变化的，但其会叠加有一个非常强的随机高频涨落。4、基于NFX CFD下的不同雷诺数下的二维圆柱绕流模拟
为了更直观的让大家了解雷诺数对于流体流动的影响，小王用NFX CFD对不同雷诺数下的二维圆柱绕流流场进行了模拟。将流场中的雷诺数用不同的进口流速表示，求得流场中的流速和流线分布。如下图所示：
图6 流速0.03m/s速度分布
图7 流速0.3m/s速度分布
图8 流速0.5m/s速度分布
图9 流速3m/s速度分布
图11 不同流速下圆柱绕流速度分布
从上图可以看出在相同情况下，流场中进口流速增加导致雷诺数Re增加，随着雷诺数增加，流场中圆柱尾流的变化从稳定流动到涡街的产生，流场的不稳定性越发增加。圆柱绕流尾迹随流态的变化情况体现了雷诺数在流动过程中的重要表示作用，我们可以通过调节粘性力和惯性力的比值来改变流体流动的状态，即雷诺数在流体流动过程中的重要作用。
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