Ansys博客
January 3, 2023
什么是雷诺数？
您是否曾观察过自然界中的流动现象，比如瀑布，并想知道它为什么可以顺畅地流动？或者是混乱地流动？亦或是两者都有？答案在于流动中不同力的相对大小，这可以通过计算雷诺数来表示，雷诺数是流体力学中用来帮助预测流体行为的一个重要的无量纲参数。然而，雷诺数经常被错误地表示，这可能导致不准确的预测结果。要了解雷诺数及其重要性，首先必须了解其含义以及如何进行计算。
雷诺数与流速计算公式
无量纲化用于科学和工程的几个分支。它可以有效地减少变量的个数，并在可扩展系统中实现有意义的物理现象的关联。一个典型示例就是利用雷诺数（Re）计算流动中惯性力与粘性力的比值。众所周知，低于特定阈值的低雷诺数会引起有序的层流，而不会发生明显的混合。
雷诺数可以使用以下公式计算：
其中ρ是流体密度，V表示定义流动的速度，L是流动系统中的特征长度，μ是流体粘性。
层流中的粘性力相对于惯性力而言往往较大。雷诺数的增加会导致流动从层流转捩到湍流，其特征是不稳定、随机和混乱，并具有各种尺度的涡结构。流动从层流转捩到湍流时的雷诺数称为临界雷诺数。
转捩雷诺数受多个因素影响，例如流动表面的平滑度和周围环境的干扰。它的值不具有普遍性。对于表面光滑的内部流动，其值约为2,300，而对于障碍物周围的外部流动，其值可高达20,000。
雷诺数的局限性
雷诺数的定义和解释有时是模棱两可的。在表征速度和长度尺度的精确定义时，可能会产生误解。有时，雷诺数被解释为流动对流与流动耗散的比率。但有时，它被解释为人为定义的湍流粘度与分子粘度的比率。
尽管存在这些差异，但雷诺数作为惯性与扩散效应之比的基本定义是普遍适用的，并且是计算流体动力学（CFD）的一个基本组成部分，具有广泛的应用。
为什么雷诺数对于CFD分析非常重要？
如今，CFD已成为众多工业产品设计周期中不可或缺的工具。
雷诺数在了解不同设计变量和工作条件下的流动行为方面发挥着重要作用。提前了解雷诺数的大小有助于在CFD研究中适当选择物理模型。
与一般的看法相反，CFD使用相关性来表示湍流、传热、多相和燃烧科学中的物理定律和行为。许多相关性直接取决于雷诺数。两个示例包括球形液滴的Schille-Naumann阻力相关性，以及多相流中的Ranz和Marshall传热相关性。
雷诺数还有助于解释CFD解决方案。湍流和层流显示出不同的特性，影响流动分离、停滞行为以及阻力和压降属性。了解全局雷诺数有助于分析不同的流动特征和行为。
雷诺数可应用于流体力学，例如计算内部和外部流动中的摩擦系数和阻力。它为液压研究、机翼设计、风洞测试和气候科学提供了价值。
例如，工程师可能会问，“我们如何设计一架高燃料效率的飞机？”要回答这些问题，工程师需要了解物体周围气流的流体力学。这就是CFD的用武之地。工程师需要了解雷诺数，才能准确对流体流动进行仿真。
当雷诺数非常高时，湍流会非常强烈，这可能会导致非常大的阻力。您可以使用雷诺数预测从层流到湍流的转捩，并对不同情况进行建模以解决阻力问题。
一个相关的例子是处理雾化燃料或液滴的化学工程应用。这些都可以根据雷诺数进行修正雾化的燃料液滴会运动、燃烧、蒸发，并为飞机提供动力。工程师必须知道液滴的阻力，才能了解它们是否会蒸发，以及它们在燃烧室、燃气轮机燃烧室和飞机上的移动距离。
雷诺数也可用于暖通空调（HVAC）。HVAC的工程目标是在提供可接受的室内空气质量的同时，最大限度地减少能耗。为此，工程师需要了解气流在通过管道、家具周围和房间内其他物体时的行为。雷诺数是了解该气流的关键参数。
总之，雷诺数对于CFD至关重要，因为它是CFD的一个基本组成部分，用于预测从层流到湍流的转捩，对不同的流动情况进行建模，以及了解气流的行为。
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