粘滯阻力是運動流體流態改變的技術條件研討論文

　　實驗是流體力學研究流體執行規律、揭示其內在本質的重要手段和方法，因為實驗更接近現實，更具有真實性。但由於實驗受客觀條件及人們觀察能力的侷限，最終所得結論未必是事物的本質。也就是說，儘管人類可以透過現象看本質，但所看到的現象未必都是本質。雷諾實驗中就反映出了這樣的問題。

　　層流和湍流兩種流態是英國著名科學家雷諾（Reynolds）1883年在管道流體（水）實驗中發現的，並在實驗原理中揭示出兩種流態的變化規律。其中的觀點為：在管徑、流體密度和粘度（動力粘滯係數）等條件不變的情況下，流速與流動狀態相關。當流速小於某一數值時，流態為層流；當流速大於某一數值時，流態為湍流。流速增大，使層流轉變為湍流；流速減小，使湍流轉變為層流。這一觀點被後人沿用至今。德國流體力學教授歐特爾在《普朗特流體力學基礎》一書中也曾藉助香菸冒出的煙氣來描述層流到湍流的變化過程，並以圖示。但筆者在煙氣實驗中發現：煙氣上升從層流到湍流，流速不是在加快，而是在放慢。這一發現引發新的觀點：在其它條件不變的情況下，流態改變不是取決於速度，而是粘滯阻力。這一觀點是否合理，我們可透過分析以下兩個實驗得以證實。

　　1 對“煙氣上升”現象的分析

　　在空氣相對靜止（無風力干擾）的環境下，我們觀察香菸點燃後冒出的煙氣：煙氣從冒出到消散，其形狀是由窄到寬的過程。剛冒出的煙氣是細而集中的煙柱，上升時如同一條穩定的直線，距離熱源最近的煙氣顏色更淡，用手觸控此處會感到很燙，這裡的煙氣上升速度很快。隨著煙氣的升高，最初細而堅實的“直線”開始有些鬆散、變粗。在煙氣繼續升高時，開始出現波動，先是幅度不明顯、頻率不快的波動，逐漸發展成幅度較大、頻率較快的波動。然後煙氣開始慢慢散開，逐漸消失在空氣中。消散時的煙氣運動速度是全流程中最慢的（見圖1）。

　　透過對煙氣實驗的觀察發現：煙氣上升是溫差（忽略壓差、慣性等因素）作用的結果。但隨著煙氣升高，與熱源距離的拉大，溫度下降。這時煙氣本應在慣性作用下繼續保持原速直線運動，但在空氣阻力作用下（沿程阻力），煙氣上升的速度在減緩，形狀由細變粗。這說明煙氣雖處層流狀態，但內部的分子橫向運動在增加，只是規模不大而已。隨著煙氣繼續上升，而溫度進一步下降，空氣阻力進一步顯現，煙氣開始波動，並進入明顯的整體橫向移動，湍流就這樣逐漸形成，隨後向周邊擴散，直至溶於空氣之中。在這過程中，煙氣和空氣是透過流體特有的動力與阻力之間的變化關係體現了牛頓第三定律—— 作用力與反作用力，作用在同一條直線上，力的大小相等，方向相反，二者均屬同一性質的力—— 摩擦力。

　　從圖2中可以看出，儘管作用力與反作用力之間的劃分方式有所不同，但它們之間的比例關係仍然是1∶1，只是需要一個漸變的過程。當煙氣因溫差作用而上升推動相對靜止的空氣時，空氣為受力者；但煙氣推動空氣的同時，也受到空氣的推力，所以煙氣又為受力者。由於氣體分子之間的相對運動是建立在相互接觸的流體層內部，所以這種阻礙作用力屬於摩擦力中的粘滯阻力。物理學認為：分子間有距離、分子間有相互作用力及運動無規則等特徵是物質分子運動論的基本概念，由於液體分子間距遠遠小於氣體，所以在液體分子動量較小時，分子間距變化僅侷限在分子力控制範圍內，粘滯阻力主要體現在分子間的引力上，流體運動呈現規則性，所以稱為層流；當液體分子動量較大時，由於分子間距已超出分子引力的控制範圍，所以粘滯阻力主要體現在無規則動量交換的加大，流體運動呈現不規則性，所以稱為湍流。由於氣體分子間距遠遠大於液體，分子間雖然也有引力，但作用很小，所以無規則運動是氣體分子運動中產生粘滯阻力的主要因素。氣體只有在空氣相對靜止的特殊條件下才體現出層流狀態，而在多數情況下都是湍流。為了強調煙氣上升的粘滯阻力效果，使其更接近雷諾實驗，我們在煙氣上升的某一高度放置一個頂端有孔的圓筒透明玻璃罩。觀察發現：罩內少部分煙氣被放走，多數煙氣被攔住並與上升的煙氣相混（區域性阻力作用），產生的湍流還有向下延伸的趨勢（見圖3）。這證實了粘滯阻力是湍流形成的重要原因。

　　2 重新分析雷諾實驗

　　從煙氣上升的觀察和分析中得出結論：在其它條件不變的情況下，流態的改變取決於粘滯阻力，而不是流速。如果這一結論合理，那麼在雷諾實驗中也應得到證實。從雷諾實驗中看到：湍流的最初形成是從管道閥門處開始的，這說明閥門與湍流產生密切相關。流體力學告訴我們：閥門處是管道中“區域性阻力”的產生地。所以說“區域性阻力”對流態改變所產生的功效與筆者的觀點不謀而合（在現實中體現更多的是“沿程阻力”對流態改變的作用）。流體力學認為：閥門是管道突然收縮而引起流體在流動中產生“頸縮”現象，由此而產生的“旋渦”是區域性阻力的主要特徵。筆者在同意這一觀點的同時，還要強調的是“頸縮”現象與閥門開啟程度的關係。為了剖析雷諾實驗中湍流產生的原因，首先從層流產生時所需的必備條件談起。

　　雷諾實驗中為了使染色流束保持一條直線—— 層流，必備條件兩個：（1）管道閥門開口很小；（2）染色水針管出口要對準管道的軸心。這兩項要求使我們有了新的設想：所謂的“層流”流域並非佈滿管道，而是隻存在於管道軸心處很窄的流動範圍內。我們知道：由於受管道壁面與流層以及流層與流層之間粘滯阻力的影響，最活躍、最易流動的流體在管道軸心處，這裡是最先產生流量和流速的區域；又由於閥門開啟得很小，管軸中心雖然有流動，但速度很慢，流動的流體層對周邊流體層的影響範圍也會很小（據上述得知：分子動量較小時，分子力起主要作用），所以流動範圍會很窄。筆者的這一觀點在“皮托管”測試流量的實驗中得到證實：當閥門開量較小時，“皮托管”只能測到管道軸心處的流量，而距離管軸中心線稍遠的地方則無法測到。這說明：只有軸心處的流體在流動，而周邊的流體則處於靜止狀態。另外，流體力學在描述管壁粗糙度對摩擦係數的影響時認為：層流狀態下管壁粗糙度對摩擦係數沒有影響，而在湍流狀態下有影響。這也在進一步證實：流量與軸心徑向擴充套件的正比關係。即使在牛頓內摩擦定律中也只有“在一定的實驗範圍內，液體層中的速度呈線性分佈” 的說法，但沒有證實過在流速很慢、液層厚度不限的情況下，速度的“線性分佈”可無限延續。筆者所要證實的是：染色水針管出口之所以要對準管軸中心，是因為只有管道軸心處的水在流動，而且流動的範圍很窄，染色水針管只有對準軸心，染色水在流動中才能形成一條“直線”。當閥門逐漸開大時，情況改變了。在管道軸心的流體流速加快的同時，流動範圍也開始從軸心向周邊（徑向）擴充套件，流動範圍的擴充套件進度遠大於閥門截面擴大程度（這是由固體的穩定性與流體的易流動性的不同特性決定的），這樣，除閥門管道存在軸向流動外，閥門管道口周邊又增加了更多的'流體往裡流動，與軸向流動的流體所不同的是：周圍的流體在進入閥門管道時，由於流體質點在運動中的慣性，只能平滑過渡，而不能完全隨著管道邊壁的形狀突然變化而變化其運動方向，這樣一來閥門周邊的流體流動方向就要與閥門的軸向產生一個角度，使流體在閥門入口的不遠處集中，而形成區域性阻力。在區域性阻力的作用下，使染色流束的流動端速度放緩，但此時上游流束的流動仍保持原速，這樣一來在上游染色流束的推動下，使靠近閥門處的染色流束最先開始彎曲、波動。隨著閥門進一步開大，使閥門口周邊流量增大的同時，閥門處的阻力越加明顯。在這種情況下，閥門的排出量無法滿足更多需要流出的量，而剩餘的流量則被堵在閥門口形成迴流，對前行流體產生反作用力，正是這種反作用力增加了液體分子間無規則運動，使彎曲、波動的染色流束開始紊亂形成湍流，隨著閥門的繼續開大，這種紊亂現象逐漸從下游向上遊延伸，最終擴充套件到整個管道。這就是在粘滯阻力作用下，雷諾實驗中的染色水從層流轉變為湍流的全過程（見圖4）。

　　透過對雷諾實驗的重新觀察，使我們又一次證明：在其它條件不變的情況下，流態的改變來自運動流體中的粘滯阻力，而流速不是確定因素。

　　以上結論是在雷諾實驗裝置完善、無外界干擾、除錯得當的情況下完成流體流態轉換過程中得到的，其實，在雷諾實驗的除錯過程中我們仍然可以發現粘滯阻力對運動流體的作用。如：當管道閥門被突然關閉時，管道水停止流動了，但有色水仍並沒停止，在管道中靜止水的阻礙下，有色水的流速開始減緩並向周邊擴散，此景與煙氣上升似乎完全相同。但有人可能將這種速度放緩、擴散、紊亂的流動現象與布朗運動聯絡起來，從而否定其湍流的本質，這種理解是不合理的。布朗運動在說明分子是以不規則運動為存在方式，而煙氣或有色水在流動中流速放緩、擴散現象則是在揭示流態改變的原因。其實，雷諾實驗中的湍流現象與煙氣和有色水的流動圖景本應該是完全一樣的，只是由於在管壁的制約下其原貌沒有得到顯現而已，如果將管壁取消，我們就會看到與以上兩種流動完全相同的圖景，就會更清楚地觀察到粘滯阻力對流態改變的重要作用。

　　3 結語

　　儘管實驗是科學研究的重要手段之一，但事實證明，在實驗中所產生的現象最終是由人的主觀來判斷和選擇。在判斷和選擇的過程中，由於人認識能力的侷限，很容易被實驗的外表現象所迷惑，忽略了現象背後的本質特徵，從而得出錯誤結論。液體和氣體的不同實驗結果告訴我們：由於流速在改變流態的過程中因實驗條件的不同而變化，所以它不是改變運動流體流態的主要原因，粘滯阻力才是改變運動流體流態的重要條件。

　　參考文獻

　　林建忠，阮曉東，陳邦國.流體力學.2版.清華大學出版社，2013.

　　〖德H.歐特爾.普朗特流體力學基礎.科學出版社，2011.

　　李椿，章立源，錢尚武，著.熱學.2版.高等教育出版社，2012.

　　吳持恭.主編.水力學（上冊）.4版.高等教育出版社，2013-04.