基本介紹
- 中文名：流動穩定性
- 外文名：hydrodynamic stability
外界的擾動如果會自動衰減，原先的流動便是穩定的；外界的擾動如果會發展，並轉變為新的流動狀態，這就是流動失穩現象。如日常生活中，將自來水龍頭開大，水柱就會成波狀，最後破碎成一串離散的小水滴。古代有詩曰“風乍起，吹皺一池存水”，這是剪下流的開爾文-海姆霍茲不穩定引起的。輕重介質界面上擾動的瑞利-泰勒不穩定性、兩個同心圓柱間擾動的泰勒渦、薄層液態金屬擾動的貝納對流、晶體的樹枝狀生長、注水驅油中的指進現象等都是流動不穩定現象。但流動穩定性理論最重要、最困難的研究方向仍是從層流到湍流的轉捩。
流動穩定性的研究始於20世紀初，有人導出了研究平行流的線性穩定性方程。到40年代，華裔科學家林家翹獲得了該方程的漸近解，套用於槽道流、邊界層問題的研究，給出了中性曲線和臨界雷諾數，被低湍流度風洞中的實驗觀察證實。線性理論只能預測流動不穩定的初始狀態，1960年發展了非線性理論。非線性理論可對各種具體流動導出相應的朗道方程，並由該方程中的朗道係數的符號判定流動是亞臨界不穩定的還是超臨界不穩定的。套用三波共振、二次不穩定等理論，可解釋觀測到的流動向湍流演化的一些物理現象。如三維擾動的發展、高剪下層的形成、湍流斑的發生、流動的紊亂化、對外界擾動的感受性及旁路轉捩等。能量法也屬於非線性理論，主要從能量角度或用李雅普諾夫函式估計擾動的發展，對初始擾動幅度雖無限制，但其結果往往偏於保守。數值方法是預測從層流到湍流轉捩全過程的有效途徑，結合流動顯示技術可形象、直觀地反映流動演化的過程，但對其中的機理認識往往不如理論分析方法。流動穩定性理論無論從理論上，還是實際套用上都需要進一步深入。
