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January 3, 2023
什麼是雷諾數？
您是否曾經在大自然中看過流動 (或許在瀑布處)，並想知道為何能夠流動地如此順暢？或是流得雜亂無序？或兩者皆是？答案在於流動中不同力量的相對大小，可以通過計算雷諾數來表示 — 雷諾數是在流體力學中使用的重要無因次參數，有助於預測流體的行為。然而，雷諾數經常被錯誤解釋，這可能導致不準確的預測。若要瞭解雷諾數及其重要性，首先需要了解它是什麼，以及如何計算。
雷諾數方程式與流率
無因次化在多個科學和工程領域中都被使用。它能有效減少變數的數量，並在可擴充系統中實現物理現象的有意義關聯性。雷諾數 (Re) 就是其中一個例子，用來計算流動中慣性力與黏滯力間的比率。目前已知低於特定臨界值的雷諾數，不需明顯混合即可帶來有秩序的平順層流。
雷諾數可透過下列方程式計算得出：
其中 ρ 代表液體密度，V 描述定義流動之速度的特性，L 是流動系統中的特性化長度，μ 則是流體分子黏度。
層流中的黏滯力通常較慣性力大。雷諾數增加會導致流動從層流轉為紊流，特性是有不穩定、隨機且混亂的屬性和多種渦流結構。流動由層流轉為紊流的雷諾數稱為臨界雷諾數。
轉換雷諾數會受數種因素影響，例如流動表面的平滑度，以及周遭環境的干擾。此非通用數值。若為具平滑表面的內部流動，其值約為 2,300，若是障礙物周圍的外部流動，則可高達 20,000。
雷諾數限制
雷諾數的定義和解讀有時並不明確。在精確定義特性化速度與長度尺度時，可能會發生誤解情況。有時會將雷諾數解讀為流動對流與流動耗散的比率。有時則解讀成人工定義的紊流黏度與分子黏度的比率。
儘管有這些差異，雷諾數作為慣性與擴散效應之比率的基礎定義仍普遍適用，也是計算流體動力學 (CFD) 的基石，運用在各種應用中。
雷諾數對 CFD 分析為什麼很重要？
CFD 在現今已成為數種工業產品設計週期中無法或缺的工具。
在瞭解不同設計變化和操作條件的流動行為方面，雷諾數扮演著重要角色。對雷諾數大小的先驗知識可幫助您在 CFD 研究中選擇適當物理模型。
與一般觀念相反，CFD 在紊流、熱傳遞、多相及燃燒科學中使用代表物理定律與行為的關聯性。許多關聯性與雷諾數直接相關。球形液滴的 Schille-Naumann 阻力關聯性與多相流的 Ranz and Marshall 熱傳遞關聯性，就是兩個很好的例子。
雷諾數也有助於解讀 CFD 解決方案。紊流和層流擁有不同特性，也影響了分流、滯流行為及阻力與壓降屬性。瞭解整體雷諾數可幫助分析不同流動特徵和行為。
雷諾數被運用在流體機制應用中，例如計算內部和外部流動中的摩擦係數與阻力。其可為液壓研究、翼型設計、風洞測試和氣候科學帶來價值。
例如工程師可能會問：「我們要如何設計具燃油效益的航空器？」若要回答這些問題，工程師必須瞭解物體周圍氣流的流體力學。此時 CFD 便可發揮作用。工程師必須瞭解雷諾數，才能準確模擬流體流動。
當雷諾數非常高時，紊流將十分劇烈，進而造成極高阻力。您可使用雷諾數來預測從層流到紊流的轉換，並為不同情況建模以解決阻力。
相關範例包括處理霧化燃油或液滴的化學工程應用。這些應用皆以雷諾數定義的關聯性來進行建模。霧化燃油液滴可讓航空器飛行、可燃燒、可汽化，並為其提供動力。工程師必須瞭解液滴阻力，判斷是否會進行汽化，以及其在燃燒室、氣體渦輪燃燒室與飛機中的移動距離。
雷諾數也可運用在 HVAC (加熱、通風和空調) 上。HVAC 的工程目標是將能源使用降至最低，同時提供可接受的室內空氣品質。為此，工程師必須瞭解氣流在穿過管道、家具周圍及室內其他物體時的行為。雷諾數是瞭解此氣流的關鍵參數。
簡而言之，雷諾數對 CFD 非常重要，因為它是用來預測從層流轉成紊流、為不同流動情況建模，以及瞭解氣流行為的基礎。
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