在這個《CFD基礎課程系列》里，針對剛剛開始，或者將要開始進行熱流體仿真的工程師，我們盡量通過通俗易懂的語言和直觀的現象來闡述CFD的概念。在系列 (3.2)，我們介紹了流體的一些主要性質，比如，壓縮性/非壓縮性，定常/非定常的概念，以及重要的伯努利定理。 在這個系列里我們介紹層流和湍流，以及雷諾數的概念。

3.2.4 層流和湍流
      流體的流動有層流和湍流兩種狀態。層流是指流體規則的流動，流體變得混亂而不一致的流動叫湍流。

      舉一個日常生活中常見的水龍頭放水的例子。水管的龍頭少許打開時,如 圖3.15 (a) 所示,水流直落而下。隨著龍頭越開越大，水流就像圖2.15 (b) 那樣變得雜亂。前者的流動與層流相當，后者的流動與湍流相當。

（a）層流                              （b）湍流

圖3.15　水龍頭里流出的水

      層流和湍流是在1883年英國的科學家奧斯本·雷諾（Osborne Reynolds, 1842-1912）通過實驗來明確區分的。在這個被稱為雷諾實驗的實驗里，如圖3.16所示，在有水流動的圓管中注入墨水以實現流動的可視化。結果發現，流速小的時候，墨水像圖 (a) 那樣清晰地沿直線向下游流動，即為層流；隨著流速增大，墨水如圖 (b) 那樣，途中開始變得雜亂無序并向圓管的整體擴散，成為湍流。

圖3.16　雷諾實驗（層流和湍流的區別）

      科學家雷諾整理實驗結果發現可以用雷諾數這個無量綱的數來區分流體流動是層流還是湍流。圓管的內徑為L，圓管的截面平均流速為U，流體的密度和粘性系數分別為ρ 和 μ ，雷諾數Re 由以下公式來定義。

      雷諾數的分母表現的是粘性力,分子表現的是慣性力，雷諾數本身代表了兩者的影響力。對于幾何學上相似的兩個流體流動來說，兩者的雷諾數相同的話，粘性力和慣性力的比例是一樣的。因此這兩個流動的本質是相同的。這被稱為雷諾相似準則。

      比如，圖3.17所示，以 50 km/h 行進的轎車周圍的空氣流動為例。轎車風洞試驗的模型為實際轎車的1/2的話，空氣流速取2倍，即100 km/h，就可以如實地再現實際橋車的空氣流動。（其實，嚴格地說，由于地面也需要有同樣的速度移動，得到實車與風洞試驗完全一致的結果并不容易。

圖3.17 雷諾數的相似準則

      從雷諾數的定義可以知道，流體的粘性系數大而流速小，粘性力起主導作用時，雷諾數會比較小，流體是層流。當流體的粘性系數小流速大的時候，雷諾數就會比較高，流體成為湍流。

      對于圓管流動，從層流過渡到湍流的雷諾數大致在2,000 ～ 4,000 左右。但是需要注意的是，這個值與流動的狀態和條件有很大關系，只能作為一個大致的范圍估計。

      最后我們來觀察一下身邊的層流和湍流現象。圖3.18所示，我們一起來看一下騎自行車時的狀態。

圖3.18　騎自行車的例子

      周圍的流體為空氣，我們計算一下雷諾數。

      得到的雷諾數約為40萬，大大超過了剛剛介紹的估計范圍2,000 ～ 4,000。由此可以想象我們身邊看到的流體流動很多都是湍流。

      湍流有增大阻力和噪音的缺點，也具有促進熱傳遞和混合的作用。所以在產品設計中適當的控制湍流就變得很重要。

      下一章作為熱仿真的基礎，我們將介紹溫度與熱，浮力，自然對流和強制對流，熱傳導等概念。