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液體動力穩定性 - 教育百科
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國家教育研究院辭書
基本資料
| 英文： | hydrodynamic stability |
| 作者： | 李雄略 |
| 日期： | 2002年12月 |
| 出處： | 力學名詞辭典 |
辭書內容
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名詞解釋： 自從光緒九年（西元一八八三年），雷諾茲發表其著名的管流實驗成果之後，流體力學界才逐漸了解流場有層流與紊流之分。後來的學者又發現相同條件之下，紊流所受的摩擦阻力遠大於層流，但產生的混合效果及傳熱效率亦遠優於層流。因此在實際工程應用上，必須釐清流場的屬性。 層流與紊流之區分，源自流場慣性力與流體黏滯性相互抗衡消長的結果。流速慢時流場受制於黏滯性，速度分佈曲線(velocity profile)平滑。當流速增快至某一程度，或流場遭受干擾而使黏滯性之作用減低時，慣性力便掙脫黏滯力之束縛而使速度分佈曲線產生高速振盪。此時流場便由層流流場轉變為紊流流場。這種轉變發生之時機主要是依當時雷諾茲數的大小而定。由眾多實驗歸納的結果發現層流與紊流之間尚有過渡流之存在。過渡流間歇性地展現出層流與紊流的特性，其分佈範圍甚廣，不容忽視。 科學家們曾試圖找出層流結束，過渡流開始時之雷諾茲數。此一雷諾茲數稱為過渡雷諾茲數。實驗時先儘量減低環境干擾，以使流場保持在層流狀態。然後於流場內加上一個人工擾波，再觀察此一擾波之振幅隨時間之變化。有些實驗則連續給予擾波，再觀察擾波沿流向之振幅分佈情形。振幅衰減表示黏滯力強勁，流場終將回歸層流狀態，反之使可能擴大成為過渡流或紊流。前者稱為動力穩定流場，後者即為動力不穩定流場。另有實驗給予小渦流，再觀察小渦流的發展情形。能使小渦流衰減的流場即為動力穩定流場，反之則為動力不穩定流場。為區分擾波及小渦流的實驗結果，兩者分別稱為波動穩定性及渦動穩定性。以加熱平板上之自然熱對流邊界層而言，平板垂直放置時波動不穩定先發生，水平放置時則渦動不穩定先發生。 早期動力穩定性的理論分析過於簡化方程式，因此所得之過渡雷諾茲數與實驗值有百分之數十甚至數百的差距。幸而自從非平行性波動穩定分析法提出之後，理論分析所得之過渡雷諾茲數與實驗值已相當吻合。這些研究成果顯示擾流頻率對流場的動力穩定性有很大的影響。在同一雷諾茲數之下，擾流頻率必須落於某特定範圍內才會引發過渡流。頻率過高或過低對流場都沒有影響。最重要的是低於某特定雷諾茲數時，黏滯力將完全主宰流場的動力穩定性。這個特別的雷諾茲數稱為臨界雷諾茲數。雷諾茲數若低於此一臨界值時，任何頻率的擾流都將受到黏滯力的阻礙而消逝。換句話說，臨界雷諾茲數即是能引發過渡流的最小雷諾茲數。誠如唐朝杜甫杜工部草堂詩箋「萬籟真笙竽，秋色正瀟灑。」及宋朝范祖禹范太史集「天卷纖毫光不隔，風收萬籟夜無聲。」所云之萬籟，大地本來便充滿各種擾動，任何頻率都有，只是強弱有別。在自然環境之下，對流場穩定性最不利的擾動頻率未必強到能引發過渡流的程度。因此實際上形成過渡流的雷諾茲數都遠大於臨界雷諾茲數。然而由於各實驗設備間之差異，甚或同一設備，同一實驗者，在不同時間所獲得的過渡雷諾茲數（在自然環境之下）都有很大的不同。因此實際發生之過渡雷諾茲數還深為「萬籟」所左右。以平板流(Blasius flow)為例，臨界雷諾茲數(Rex＝Ux/v)為 4.73 × 104，而過渡雷諾茲數之實驗值則分佈於3.5 × 105～2.8 × 106之間。較廣為採用之值為3.5 × 105。 以當前的技術而言，層流流場的計算已沒有大困難，亂流方面雖有諸多模式可用，但其準確度深受各經驗常數之困擾。過渡流方面則完全無法處理。即令「非平行性波動穩定分析法」亦只能求出臨界雷諾茲數，無法預期實際發生過渡流的過渡雷諾茲數。至於過渡流轉變成完全紊流的雷諾茲數並不明顯，至今尚無理論分析提出，亦無可靠之實驗數據可循。 |
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| 資料來源： | 國家教育研究院_液體動力穩定性 |
| 授權資訊： | 資料採「 創用CC-姓名標示- 禁止改作 臺灣3.0版授權條款」釋出 |