决定水的运动为直流抑或曲流之情形,以及平行槽道中阻力定律的实验研究
一股流动是平滑还是变为湍流,由一个无量纲的数决定。
把水龙头慢慢拧开,水流像一根透明的玻璃棒;再开大些,它便骤然翻腾、哗哗作响。雷诺找到了那个决定你得到哪一种的数。
核心想法
流动的流体有两种性格。平滑、有序、每一小份流体都沿着整齐的层面滑行的流动,叫层流。翻搅、打旋、相互混合的流动,叫湍流。同样的水,两种都能做到,而雷诺要找的,正是把它从一种推向另一种的东西。
他的答案精简得漂亮。决定的不是速度本身,也不是黏稠度或管径,而是这三者的一个特定组合——如今叫作雷诺数。当这个数很小,流体内部的「黏性」让一切保持平滑;当它增长越过一个临界值(约两千),流动自身的动量便占了上风,碎成涡旋。一个数,你就能预言这场转变。
它是如何诞生的
奥斯本·雷诺是 1880 年代曼彻斯特的一位工程学教授,他着迷于一个问题:为什么管中的水有时流得干净利落,有时却阻力大得出奇。他的实验简单得令人解除戒备:一根长玻璃管,水来自静止的水箱,再沿正中央注入一缕细细的彩色染液,好让他看清水的运动。
把流速慢慢加大,染液画出一条完美的直线。然后,到了某个速度,这条线会「一下子」碎裂、抹成一团旋涡。用不同的管子和流体反复试验,雷诺意识到:转折点总是出现在他那个组合数的同一个值上——而不是同一个速度上。他在一缕染液里,找到了一条藏着的定律。
它为何重要
正因为同一个数主宰着每一种流体、每一个尺度,它成了流体工程中最有用的一个量。它告诉你一条管道会流得平滑还是粗糙,一架飞机会有多大曳力,一片心脏瓣膜如何流动——更关键的是,它让工程师可以测试一个小模型,并相信这个结果对实尺寸的机器同样成立,只要雷诺数对得上。
一个可以想象的画面
想象一群人离开体育场。慢慢走,人们排成整齐的队列鱼贯而出——那是层流。让所有人都加快脚步,队列就溶成一团你推我搡、打着旋的拥挤——那是湍流。你会得到队列还是混乱,并不只取决于速度;而取决于速度、人群多密、出口多宽,三者合在一起。雷诺数,正是把流体的这种组合,恰如其分地打成一捆。
它的位置
雷诺的转变,是通往物理学一大未解难题的门户:湍流。平滑的流动可以被精确计算,湍流却至今没有完整理论——它是确定性混沌的一个典型例子,与爱德华·洛伦兹 1963 年在天气模型里偶然撞见的,是同一族行为。雷诺那个小小的数,正是秩序终结、混沌开始的地方。
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.