[科普中国]-有效雷诺数

简介

风洞试验段气流湍流度因子TF与模型试验雷诺数Re的乘积。即

风洞试验简介流体力学方面的风洞实验指在风洞中安置飞行器或其他物体模型，研究气体流动及其与模型的相互作用，以了解实际飞行器或其他物体的空气动力学特性的一种空气动力实验方法；而在昆虫化学生态学方面则是在一个有流通空气的矩形空间中，观察活体虫子对气味物质的行为反应的实验。

实验原理风洞一般称之为风洞试验。简单地说，就是依据运动的相对性原理，将飞行器的模型或实物固定在地面人工环境中，人为制造气流流过，以此模拟空中各种复杂的飞行状态，获取试验数据。这是现代飞机、导弹、火箭等研制定型和生产的“绿色通道”。简单的说，风洞就是在地面上人为地创造一个“天空”。至于我们国家的风洞为什么会选择建在大山深处，那是历史原因造成的。1

风洞试验中，天平测量得到的模型气动力在转换到气流坐标系上时会因为模型迎角测量的误差引入模型气动力系数误差，而此误差在一些条件下可以占到总的气动力系数误差的25%。因此，准确的迎角测量技术是获得高精度气动特性试验数据的基础。风洞试验数据精确度的先进指标要求模型的阻力系数误差在马赫数Ma位于0.4～0.9的范围内时不超过0.0001，这就要求模型迎角的测量误差不能超过0.01°。

实验优点风洞实验尽管有局限性，但有如下四个优点：

①能比较准确地控制实验条件，如气流的速度、压力、温度等；

②实验在室内进行,受气候条件和时间的影响小,模型和测试仪器的安装、操作、使用比较方便；

③实验项目和内容多种多样，实验结果的精确度较高；

④实验比较安全，而且效率高、成本低。因此，风洞实验在空气动力学的研究、各种飞行器的研制方面，以及在工业空气动力学和其他同气流或风有关的领域中，都有广泛应用。

湍流度因子定义同一模型在大气条件下的临界雷诺数和在风洞气流中的临界雷诺数之比。

临界雷诺数定义临界雷诺数（critical Reynold’s number），当流体在管道中、板面上或具有一定形状的物体表面上流过时，流体的一部或全部会随条件的变化而由层流转变为湍流，此时，摩擦系数、阻力系数等会发生显著的变化。转变点处的雷诺数即为临界雷诺数。

原理雷诺通过圆管内的黏性流动实验，发现一定条件下层流转化为湍流的控制因素是雷诺数Re。由层流转变为湍流的雷诺数称为临界雷诺数Reα。它不是一个固定的值，依赖于外部扰动的大小。如果所受的扰动小，Reα较大；反之，Reα较小。

实验证明：Reα的下界约为2000，当Re2000而小于某一上界时，流动出现不稳定，在管内(离入口较远处)，层流与湍流共存。当Re大于某上界时，黏性力已无法抑制扰动的增长，导致流动失稳，成为随机的脉动运动，即转变为完全发展的湍流。

从空间角度看，即使Re>Reα，在管内中心沿流动方向也存在着层流区、过渡区和湍流区，这是因为管道入口处扰动由小到大的增长需要一定的时间，即需要经历一定的空间区域，湍流不是在某一空间位置突然发生的。

雷诺试验早在19世纪初，就有人注意到流体在不同的流速范围内，断面流速分布和能量损失规律等都不相同。1883年，英国物理学家雷诺通过实验揭示了流体的两种不同的流动状态。2

在水箱A的侧面开一个小孔，接一根进口为流线型管嘴的玻璃管丁，在玻璃管丁的末端装有节门C以调节流量。在水箱的上部装有储存带色液体的容器，用一根细管将带色液体引至玻璃管丁的入口，其流量用节门E调节。

实验前，先把水注入水箱中，利用溢流槽保持水位不变。然后，稍稍打开节门c，使水缓慢地由玻璃管T流出。打开节门E，使带色液体也流入玻璃管中。此时在玻璃管丁内看到一条细线形状的带色液线。这说明液体质点在作互不干扰、各自成层的平行直线流动。

将节门C逐渐开大，玻璃管T内水的流速也逐渐增大，起初带色液线并无变化，直到管内流速增大到某一数值时，带色液线开始颤动和分散。

随着玻璃管T内流速的继续增大，达一定数值后，带色液线不再连续，而是立即分散并与水相混淆。这说明液体质点已相互掺混，在杂乱无章地向前运动。

通过雷诺实验人们认识到，流动存在以下三种不同的状态。第一种，流体的质点之间互不掺混、质点的运动轨迹为有条不紊的层状流动，称为层流；第二种，流体的质点之间相互掺混、质点的运动轨迹为杂乱无章的流动，称为紊流；第三种，表现为层流到紊流或紊流到层流的过渡，称为过渡状态。随流速的变化而呈现不同的流动状态，是自然界中一切流体运动普遍存在的物理现象。