JOVANA
Explore Library Glossary Getting Started Three Levels Fields How it works Mission
Join the mission
Back to the library
流體力學 1883

決定水的運動為直流抑或曲流之情形,以及平行槽道中阻力定律的實驗研究

奧斯本·雷諾

一股流動是平滑還是變為湍流,由一個無量綱的數決定。

Choose your version
In depth · the introduction

把水龍頭慢慢扭開,水流像一根透明的玻璃棒;再開大些,它便驟然翻騰、嘩嘩作響。雷諾找到了那個決定你得到哪一種的數。

核心想法

流動的流體有兩種性格。平滑、有序、每一小份流體都沿著整齊的層面滑行的流動,叫層流。翻攪、打旋、相互混合的流動,叫湍流。同樣的水,兩種都能做到,而雷諾要找的,正是把它從一種推向另一種的東西。

他的答案精簡得漂亮。決定的不是速度本身,也不是黏稠度或管徑,而是這三者的一個特定組合——如今叫作雷諾數。當這個數很小,流體內部的「黏性」讓一切保持平滑;當它增長越過一個臨界值(約兩千),流動自身的動量便佔了上風,碎成渦旋。一個數,你就能預言這場轉變。

它是如何誕生的

奧斯本·雷諾是 1880 年代曼徹斯特的一位工程學教授,他著迷於一個問題:為什麼管中的水有時流得乾淨俐落,有時卻阻力大得出奇。他的實驗簡單得令人解除戒備:一根長玻璃管,水來自靜止的水箱,再沿正中央注入一縷細細的彩色染液,好讓他看清水的運動。

把流速慢慢加大,染液畫出一條完美的直線。然後,到了某個速度,這條線會「一下子」碎裂、抹成一團旋渦。用不同的管子和流體反覆試驗,雷諾意識到:轉折點總是出現在他那個組合數的同一個值上——而不是同一個速度上。他在一縷染液裡,找到了一條藏著的定律。

它為何重要

正因為同一個數主宰著每一種流體、每一個尺度,它成了流體工程中最有用的一個量。它告訴你一條管道會流得平滑還是粗糙,一架飛機會有多大曳力,一片心臟瓣膜如何流動——更關鍵的是,它讓工程師可以測試一個小模型,並相信這個結果對實尺寸的機器同樣成立,只要雷諾數對得上。

一個可以想像的畫面

想像一群人離開體育場。慢慢走,人們排成整齊的隊列魚貫而出——那是層流。讓所有人都加快腳步,隊列就溶成一團你推我搡、打著旋的擁擠——那是湍流。你會得到隊列還是混亂,並不只取決於速度;而取決於速度、人群多密、出口多寬,三者合在一起。雷諾數,正是把流體的這種組合,恰如其分地打成一捆。

把流速向上滑,管中一條彩色細線先保持筆直,直到雷諾數越過約 2300,才碎成旋轉的渦旋;換成黏油則使細線保持筆直。

它的位置

雷諾的轉變,是通往物理學一大未解難題的門戶:湍流。平滑的流動可以被精確計算,湍流卻至今沒有完整理論——它是確定性混沌的一個典型例子,與愛德華·勞侖茲 1963 年在天氣模型裡偶然撞見的,是同一族行為。雷諾那個小小的數,正是秩序終結、混沌開始的地方。

The original document
Original source text
Osborne Reynolds · Philosophical Transactions of the Royal Society of London 174 (1883): 935–982 · DOI 10.1098/rstl.1883.0029
The dye experiment
Reynolds ran water through a straight glass tube and, through a fine nozzle, injected a thread of coloured dye on the axis. By raising the flow slowly he could watch the dye reveal what the water was doing.
When the velocities were sufficiently low, the streak of colour extended in a beautiful straight line through the tube.
As the velocity was increased by small stages, at some point in the tube, always at a considerable distance from the trumpet or intake, the colour band would all at once mix up with the surrounding water, and fill the rest of the tube with a mass of coloured water.
Viewed by the light of an electric spark, that diffuse mass resolved into a crowd of distinct eddies — the flow had become, in Reynolds' words, 'sinuous' rather than 'direct.'
[ … ]
The criterion
Reynolds then showed that the change-over does not depend on speed alone. The same transition occurs whenever a single dimensionless combination of the speed U, the pipe diameter D and the fluid's density ρ and viscosity μ — the group ρUD/μ — crosses a critical value, which he placed near 1900–2000. Below it, viscosity smooths out disturbances and the flow stays direct; above it, inertia overwhelms viscosity and eddies take hold.