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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！