当前课程知识点：力学与现代生活——开启科学人生 > 第五章 “流”力世界——航空与航天 > 5-4-2 层流、湍流、卡门涡街 > Video
我们打开水龙头--
大家有这么一个经验：
你会发现什么样呢？
如果 从 开始水龙头拧得比较小，
那么水流 是什么状况呢？
它是比较细的一条线一样的 比较光滑的,
它的流动呢 我们把它叫做“层流”
这个每个流体的质点的路线呢 是有规则的，
而且流速是均匀的。
我们定义的话，
“层流”就是“具备有序规则流动状态的流体”
叫层流。
如果你的水龙头 开大的话呢，
水流的流柱啊 就杂乱无章的--
水珠开始脱落，
这时候 我们把它叫 “湍流”
湍流呢 流体 我们把它简化为一些质点--
质点的路线
曲折、不规则、急剧地脉动，
流速呢 随机变化。
所以呢 我们湍流的定义是：“时空、空间上
具有不规则与随机性的流动状态”。
那么 关于 流体是否 从层流到湍流
是什么状态,
它有一个 描述的参数 叫“雷诺数”。
观察段的这个水管的流速 不断增加--
从最开始的 均匀的流线 到波动、
到 湍流状态，
我们看看分：层流、过渡态 和湍流态。
雷诺实验呢 告诉大家 有几个结论：
第一个 清水的速度比较低的时候，
是 水的颜色、流线 都是成直线的，
随着 清水的速度 增加，
一定的距离呢 它就 开始混色，
它里边 加了一定的颜色的流线。
那么 如果速度 再增大，
混合口 靠近入口时候 开始混合，
这时候呢 颜色 和水流 混到一起，
形成了破碎现象，
我们用电弧闪光
来观测的话 可以 观测到一些漩涡。
那么 我们描述流动状态的定量的参数--
刚才说的 雷诺数呢 它是这么一个参数：
是一个无量纲的参数，
用这一个公式：
Re 等于 流体密度(ρ) 乘上 速度(U)、
乘上 管道的半径(R) 再除以 这个流体的粘滞系数(μ) 。
基本上 我们按照雷诺数来这样判断
流体的状态：
在 2千和4万 之间 属于“过渡状态”；
当这个雷诺数 大于4万的时候，
流动一般表现为“湍流”。
这个图片呢 我们可以看到：
雷诺数小于5的时候，
圆柱的这个流场 比较均匀 属于层流状态，
还有 大于等于5 、小于等于40，
以及 大于等于40、小于等于150。
那么 再 大于300了 就处于湍流状态。
我们仔细观察的话 可以看到：
小于1的雷诺数的时候,
上下前后 都是对称的;
雷诺数等于1.54的时候 不再对称，
但是 仍然是层流;
当大于9.6的时候,
圆柱后边 开始有旋涡了，
但是上下还是对称的；
当 雷诺数等于2000的时候，
后缘 有湍流性的尾流、
上下不再对称。
关于流动呢 我们还有一个重要的现象--
叫做“流动分离”
是 最早研究它的 就是 冯·卡门--
我们前面提到这个人。
卡门呢 把这个脱落的漩涡呢 叫做“卡门涡街”
我们看到这个小视频--
在这个圆柱体的后边 形成了一系列的旋涡，
而且是周期性地脱落，
它的脱离原因呢 实际上就是 粘性作用。
卡门涡街 它 有 顺时针和逆时针的
两个方向的漩涡。
我们看到这个图片：
随着来流速度 慢慢增大，
它会顺时针和逆时针的脱落...
那么 在上半部分顺时针脱落 它的速度大，
所以 它上面的流场的压力就大，
而 逆时针脱落呢 它的速度减少，
所以 流场的压力 就会减小，
所以 形成了一种流体压差 在这个圆柱体的背后啊
形成的一种压差--
我们用ΔP 乘上 作用的圆柱体的面积S
来表示。
那么 现在有这“流体动力学”的一个
计算的有限元分析软件 叫CFD，
它 可以计算圆柱体
卡门涡街 形成的时候，
形成的 前后 压力场的分布--
大家看到 前部 接近于黄色 到橙色 到红色，
压力比较大！到后半部分呢
属于 绿色的 到蓝色的 压力比较小。
分离 使得尾流区的流速 减少，
后部压力低 前部压力高，
形成了 向后额外的压差阻力。
现在 我们看看 机翼--
我们看到这个小视频呢
机翼 它的升力 也和后面的旋涡 有关系，
我们这个是用 流场的显示技术 观察到的。
其实在生活中 日常生活中还有 很多动物
利用它的尾翼，
来形成减少阻力啊、增加升力啊--
这些流体力学知识。
我们看到 鱼 在水里面游动，
它也是 巧妙地利用这些流体动力学的知识。
下面我们 前面讲了 卡门涡街、
层流、湍流...这些知识，
我们看看
解释一下：我们第一大部分讲到的
提到的 塔科马大桥 在微风中，
把它吹垮！为什么？
从这里我们 做一些解释：
我们空气 绕过物体的时候，
会在后面产生 卡门涡街。
在 前面我们 提到了卡门涡街呢
将美国的当时华盛顿州的 最著名的
塔科马大桥 吹毁。
吹毁的原因 就是这个卡门涡街
造成的压力场的分布的‘动态交变’。
我们看到这个图片--
当时这个桥啊
不说是最坚固的，也是非常牢固的！
我们说的“微风”呢 实际上当时也就是 八级大风啦--
八级大风 每秒钟 19米的风速 不算强，
从这个安全的设计角度来考虑呢
强度、刚度、稳定性设计的
这个桥的设计 都没问题。
但是呢 ‘微风’的吹动之下 产生了
45度角的倾斜、振幅达到9米！
我们看 桥呢 它为什么会被吹垮？！
是因为呢 这个桥啊
它设计的时候 它的结构两边--
它呈一个‘工’字形的封闭状态，
而 吹来的风，
在它的 工字形的 桥面 横向 吹过来以后啊，
在这背后 形成了一系列的卡门涡街，
而卡门涡街的 脱落的频率--
我们用f来表示啊 可以算出来--
用Stokes常数 乘上(口误) 这个流速
再除上 桥的地面尺寸 d。
那么 交替的 卡门涡街脱落，
就因为有 上下的压力差，
造成了 在桥面的 上下 形成横向的作用力，
那么 横向交替作用的力--
相当于一种外力，
跟大桥本身的固有频率 比较接近了，
就形成了“共振”，
一共振 时间一长，
就形成了 这么大的倾斜 和振幅啦！
日本呢 有一位 叫 名古屋的
矢田川桥·康弘 进行了
流动分离的压差的分析：
我们看到这个动态的视频--
上面是压强的分布、底下速度分布。
其实呢 风 导致的 桥的损毁 还有不少例子--
像：俄罗斯的伏尔加 河上，
有一个水泥 做的桥，
它 在风吹了 8到9个小时里面，
它的振幅 就达到 40到50公分，
还好 没有坍塌下来！
所以呢 桥的建设和设计之前，
也必须做‘风洞实验’--
将这个桥的模型 放到风洞里边，
模拟 桥 当地 可能出现的各种风的
激励的环境，
比如说 山坳坳里边的各种旋涡风啊--
风向--不同的方向...都要进行模拟。
像：比较有名的 日本的 明石海 海峡大桥，
海流 跟桥墩 它都做了这个风洞实验；
我们国家 建成的最长的杭州湾的大桥，
还有我们已经落成的 珠港澳大桥
都 做了相关的风洞实验！
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