粘滯阻力是運(yùn)動(dòng)流體流態(tài)改變的技術(shù)條件研討論文

粘滯阻力是運(yùn)動(dòng)流體流態(tài)改變的技術(shù)條件研討論文

　　實(shí)驗(yàn)是流體力學(xué)研究流體運(yùn)行規(guī)律、揭示其內(nèi)在本質(zhì)的重要手段和方法，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)更接近現(xiàn)實(shí)，更具有真實(shí)性。但由于實(shí)驗(yàn)受客觀條件及人們觀察能力的局限，最終所得結(jié)論未必是事物的本質(zhì)。也就是說，盡管人類可以透過現(xiàn)象看本質(zhì)，但所看到的現(xiàn)象未必都是本質(zhì)。雷諾實(shí)驗(yàn)中就反映出了這樣的問題。

　　層流和湍流兩種流態(tài)是英國著名科學(xué)家雷諾（Reynolds）1883年在管道流體（水）實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的，并在實(shí)驗(yàn)原理中揭示出兩種流態(tài)的變化規(guī)律。其中的觀點(diǎn)為：在管徑、流體密度和粘度（動(dòng)力粘滯系數(shù)）等條件不變的情況下，流速與流動(dòng)狀態(tài)相關(guān)。當(dāng)流速小于某一數(shù)值時(shí)，流態(tài)為層流；當(dāng)流速大于某一數(shù)值時(shí)，流態(tài)為湍流。流速增大，使層流轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧�；流速減小，使湍流轉(zhuǎn)變?yōu)閷恿�。這一觀點(diǎn)被后人沿用至今。德國流體力學(xué)教授歐特爾在《普朗特流體力學(xué)基礎(chǔ)》一書中也曾借助香煙冒出的煙氣來描述層流到湍流的變化過程，并以圖示。但筆者在煙氣實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)：煙氣上升從層流到湍流，流速不是在加快，而是在放慢。這一發(fā)現(xiàn)引發(fā)新的觀點(diǎn)：在其它條件不變的情況下，流態(tài)改變不是取決于速度，而是粘滯阻力。這一觀點(diǎn)是否合理，我們可通過分析以下兩個(gè)實(shí)驗(yàn)得以證實(shí)。

　　1 對“煙氣上升”現(xiàn)象的分析

　　在空氣相對靜止（無風(fēng)力干擾）的環(huán)境下，我們觀察香煙點(diǎn)燃后冒出的煙氣：煙氣從冒出到消散，其形狀是由窄到寬的過程。剛冒出的煙氣是細(xì)而集中的煙柱，上升時(shí)如同一條穩(wěn)定的直線，距離熱源最近的煙氣顏色更淡，用手觸摸此處會(huì)感到很燙，這里的煙氣上升速度很快。隨著煙氣的升高，最初細(xì)而堅(jiān)實(shí)的“直線”開始有些松散、變粗。在煙氣繼續(xù)升高時(shí)，開始出現(xiàn)波動(dòng)，先是幅度不明顯、頻率不快的波動(dòng)，逐漸發(fā)展成幅度較大、頻率較快的波動(dòng)。然后煙氣開始慢慢散開，逐漸消失在空氣中。消散時(shí)的煙氣運(yùn)動(dòng)速度是全流程中最慢的（見圖1）。

　　通過對煙氣實(shí)驗(yàn)的觀察發(fā)現(xiàn)：煙氣上升是溫差（忽略壓差、慣性等因素）作用的結(jié)果。但隨著煙氣升高，與熱源距離的拉大，溫度下降。這時(shí)煙氣本應(yīng)在慣性作用下繼續(xù)保持原速直線運(yùn)動(dòng)，但在空氣阻力作用下（沿程阻力），煙氣上升的速度在減緩，形狀由細(xì)變粗。這說明煙氣雖處層流狀態(tài)，但內(nèi)部的分子橫向運(yùn)動(dòng)在增加，只是規(guī)模不大而已。隨著煙氣繼續(xù)上升，而溫度進(jìn)一步下降，空氣阻力進(jìn)一步顯現(xiàn)，煙氣開始波動(dòng)，并進(jìn)入明顯的整體橫向移動(dòng)，湍流就這樣逐漸形成，隨后向周邊擴(kuò)散，直至溶于空氣之中。在這過程中，煙氣和空氣是通過流體特有的動(dòng)力與阻力之間的變化關(guān)系體現(xiàn)了牛頓第三定律—— 作用力與反作用力，作用在同一條直線上，力的大小相等，方向相反，二者均屬同一性質(zhì)的力—— 摩擦力。

　　從圖2中可以看出，盡管作用力與反作用力之間的劃分方式有所不同，但它們之間的比例關(guān)系仍然是1∶1，只是需要一個(gè)漸變的過程。當(dāng)煙氣因溫差作用而上升推動(dòng)相對靜止的空氣時(shí)，空氣為受力者；但煙氣推動(dòng)空氣的同時(shí)，也受到空氣的推力，所以煙氣又為受力者。由于氣體分子之間的相對運(yùn)動(dòng)是建立在相互接觸的流體層內(nèi)部，所以這種阻礙作用力屬于摩擦力中的粘滯阻力。物理學(xué)認(rèn)為：分子間有距離、分子間有相互作用力及運(yùn)動(dòng)無規(guī)則等特征是物質(zhì)分子運(yùn)動(dòng)論的基本概念，由于液體分子間距遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于氣體，所以在液體分子動(dòng)量較小時(shí)，分子間距變化僅局限在分子力控制范圍內(nèi)，粘滯阻力主要體現(xiàn)在分子間的引力上，流體運(yùn)動(dòng)呈現(xiàn)規(guī)則性，所以稱為層流；當(dāng)液體分子動(dòng)量較大時(shí)，由于分子間距已超出分子引力的控制范圍，所以粘滯阻力主要體現(xiàn)在無規(guī)則動(dòng)量交換的加大，流體運(yùn)動(dòng)呈現(xiàn)不規(guī)則性，所以稱為湍流。由于氣體分子間距遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于液體，分子間雖然也有引力，但作用很小，所以無規(guī)則運(yùn)動(dòng)是氣體分子運(yùn)動(dòng)中產(chǎn)生粘滯阻力的主要因素。氣體只有在空氣相對靜止的特殊條件下才體現(xiàn)出層流狀態(tài)，而在多數(shù)情況下都是湍流。為了強(qiáng)調(diào)煙氣上升的粘滯阻力效果，使其更接近雷諾實(shí)驗(yàn)，我們在煙氣上升的某一高度放置一個(gè)頂端有孔的圓筒透明玻璃罩。觀察發(fā)現(xiàn)：罩內(nèi)少部分煙氣被放走，多數(shù)煙氣被攔住并與上升的煙氣相混（局部阻力作用），產(chǎn)生的湍流還有向下延伸的趨勢（見圖3）。這證實(shí)了粘滯阻力是湍流形成的重要原因。

　　2 重新分析雷諾實(shí)驗(yàn)

　　從煙氣上升的觀察和分析中得出結(jié)論：在其它條件不變的情況下，流態(tài)的改變?nèi)�決于粘滯阻力，而不是流速。如果這一結(jié)論合理，那么在雷諾實(shí)驗(yàn)中也應(yīng)得到證實(shí)。從雷諾實(shí)驗(yàn)中看到：湍流的最初形成是從管道閥門處開始的，這說明閥門與湍流產(chǎn)生密切相關(guān)。流體力學(xué)告訴我們：閥門處是管道中“局部阻力”的產(chǎn)生地。所以說“局部阻力”對流態(tài)改變所產(chǎn)生的功效與筆者的觀點(diǎn)不謀而合（在現(xiàn)實(shí)中體現(xiàn)更多的是“沿程阻力”對流態(tài)改變的作用）。流體力學(xué)認(rèn)為：閥門是管道突然收縮而引起流體在流動(dòng)中產(chǎn)生“頸縮”現(xiàn)象，由此而產(chǎn)生的“旋渦”是局部阻力的主要特征。筆者在同意這一觀點(diǎn)的同時(shí)，還要強(qiáng)調(diào)的是“頸縮”現(xiàn)象與閥門打開程度的關(guān)系。為了剖析雷諾實(shí)驗(yàn)中湍流產(chǎn)生的原因，首先從層流產(chǎn)生時(shí)所需的必備條件談起。

　　雷諾實(shí)驗(yàn)中為了使染色流束保持一條直線—— 層流，必備條件兩個(gè)：（1）管道閥門開口很小；（2）染色水針管出口要對準(zhǔn)管道的軸心。這兩項(xiàng)要求使我們有了新的設(shè)想：所謂的“層流”流域并非布滿管道，而是只存在于管道軸心處很窄的流動(dòng)范圍內(nèi)。我們知道：由于受管道壁面與流層以及流層與流層之間粘滯阻力的影響，最活躍、最易流動(dòng)的流體在管道軸心處，這里是最先產(chǎn)生流量和流速的區(qū)域；又由于閥門打開得很小，管軸中心雖然有流動(dòng)，但速度很慢，流動(dòng)的流體層對周邊流體層的影響范圍也會(huì)很�。〒�(jù)上述得知：分子動(dòng)量較小時(shí)，分子力起主要作用），所以流動(dòng)范圍會(huì)很窄。筆者的這一觀點(diǎn)在“皮托管”測試流量的實(shí)驗(yàn)中得到證實(shí)：當(dāng)閥門開量較小時(shí)，“皮托管”只能測到管道軸心處的流量，而距離管軸中心線稍遠(yuǎn)的地方則無法測到。這說明：只有軸心處的流體在流動(dòng)，而周邊的流體則處于靜止?fàn)顟B(tài)。另外，流體力學(xué)在描述管壁粗糙度對摩擦系數(shù)的影響時(shí)認(rèn)為：層流狀態(tài)下管壁粗糙度對摩擦系數(shù)沒有影響，而在湍流狀態(tài)下                有影響。這也在進(jìn)一步證實(shí)：流量與軸心徑向擴(kuò)展的正比關(guān)系。即使在牛頓內(nèi)摩擦定律中也只有“在一定的實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，液體層中的速度呈線性分布” 的說法，但沒有證實(shí)過在流速很慢、液層厚度不限的情況下，速度的“線性分布”可無限延續(xù)。筆者所要證實(shí)的是：染色水針管出口之所以要對準(zhǔn)管軸中心，是因?yàn)橹挥泄艿垒S心處的水在流動(dòng)，而且流動(dòng)的范圍很窄，染色水針管只有對準(zhǔn)軸心，染色水在流動(dòng)中才能形成一條“直線”。當(dāng)閥門逐漸開大時(shí)，情況改變了。在管道軸心的流體流速加快的同時(shí)，流動(dòng)范圍也開始從軸心向周邊（徑向）擴(kuò)展，流動(dòng)范圍的擴(kuò)展進(jìn)度遠(yuǎn)大于閥門截面擴(kuò)大程度（這是由固體的穩(wěn)定性與流體的易流動(dòng)性的不同特性決定的），這樣，除閥門管道存在軸向流動(dòng)外，閥門管道口周邊又增加了更多的流體往里流動(dòng)，與軸向流動(dòng)的流體所不同的是：周圍的流體在進(jìn)入閥門管道時(shí)，由于流體質(zhì)點(diǎn)在運(yùn)動(dòng)中的慣性，只能平滑過渡，而不能完全隨著管道邊壁的形狀突然變化而變化其運(yùn)動(dòng)方向，這樣一來閥門周邊的流體流動(dòng)方向就要與閥門的軸向產(chǎn)生一個(gè)角度，使流體在閥門入口的不遠(yuǎn)處集中，而形成局部阻力。在局部阻力的作用下，使染色流束的流動(dòng)端速度放緩，但此時(shí)上游流束的流動(dòng)仍保持原速，這樣一來在上游染色流束的推動(dòng)下，使靠近閥門處的染色流束最先開始彎曲、波動(dòng)。隨著閥門進(jìn)一步開大，使閥門口周邊流量增大的同時(shí)，閥門處的阻力越加明顯。在這種情況下，閥門的排出量無法滿足更多需要流出的量，而剩余的流量則被堵在閥門口形成回流，對前行流體產(chǎn)生反作用力，正是這種反作用力增加了液體分子間無規(guī)則運(yùn)動(dòng)，使彎曲、波動(dòng)的染色流束開始紊亂形成湍流，隨著閥門的繼續(xù)開大，這種紊亂現(xiàn)象逐漸從下游向上游延伸，最終擴(kuò)展到整個(gè)管道。這就是在粘滯阻力作用下，雷諾實(shí)驗(yàn)中的染色水從層流轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧鞯娜�過程（見圖4）。

　　通過對雷諾實(shí)驗(yàn)的重新觀察，使我們又一次證明：在其它條件不變的情況下，流態(tài)的改變來自運(yùn)動(dòng)流體中的粘滯阻力，而流速不是確定因素。

　　以上結(jié)論是在雷諾實(shí)驗(yàn)設(shè)備完善、無外界干擾、調(diào)試得當(dāng)?shù)那闆r下完成流體流態(tài)轉(zhuǎn)換過程中得到的，其實(shí)，在雷諾實(shí)驗(yàn)的調(diào)試過程中我們?nèi)匀豢梢园l(fā)現(xiàn)粘滯阻力對運(yùn)動(dòng)流體的作用。如：當(dāng)管道閥門被突然關(guān)閉時(shí)，管道水停止流動(dòng)了，但有色水仍并沒停止，在管道中靜止水的阻礙下，有色水的流速開始減緩并向周邊擴(kuò)散，此景與煙氣上升似乎完全相同。但有人可能將這種速度放緩、擴(kuò)散、紊亂的流動(dòng)現(xiàn)象與布朗運(yùn)動(dòng)聯(lián)系起來，從而否定其湍流的本質(zhì)，這種理解是不合理的。布朗運(yùn)動(dòng)在說明分子是以不規(guī)則運(yùn)動(dòng)為存在方式，而煙氣或有色水在流動(dòng)中流速放緩、擴(kuò)散現(xiàn)象則是在揭示流態(tài)改變的原因。其實(shí)，雷諾實(shí)驗(yàn)中的湍流現(xiàn)象與煙氣和有色水的流動(dòng)圖景本應(yīng)該是完全一樣的，只是由于在管壁的制約下其原貌沒有得到顯現(xiàn)而已，如果將管壁取消，我們就會(huì)看到與以上兩種流動(dòng)完全相同的圖景，就會(huì)更清楚地觀察到粘滯阻力對流態(tài)改變的重要作用。

　　3 結(jié)語

　　盡管實(shí)驗(yàn)是科學(xué)研究的重要手段之一，但事實(shí)證明，在實(shí)驗(yàn)中所產(chǎn)生的現(xiàn)象最終是由人的主觀來判斷和選擇。在判斷和選擇的過程中，由于人認(rèn)識(shí)能力的局限，很容易被實(shí)驗(yàn)的外表現(xiàn)象所迷惑，忽略了現(xiàn)象背后的本質(zhì)特征，從而得出錯(cuò)誤結(jié)論。液體和氣體的不同實(shí)驗(yàn)結(jié)果告訴我們：由于流速在改變流態(tài)的過程中因?qū)嶒?yàn)條件的不同而變化，所以它不是改變運(yùn)動(dòng)流體流態(tài)的主要原因，粘滯阻力才是改變運(yùn)動(dòng)流體流態(tài)的重要條件。

　　參考文獻(xiàn)

　　林建忠，阮曉東，陳邦國.流體力學(xué).2版.清華大學(xué)出版社，2013.

　　〖德H.歐特爾.普朗特流體力學(xué)基礎(chǔ).科學(xué)出版社，2011.

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