導入
層流は、その成分が互いに平行に移動する液体または固体の塊の流れです。したがって、移動質量の成分は混合しません。通常の層流は多くの場合、定常的な挙動を示します。実際、流れを変更すると層流解に戻るという意味で、これはナビエ・ストークス方程式の安定した解です。
粘度は一般に流れを安定させ、調整します。粘度の高い流体は層流となります。流れはレイノルズ数によって特徴付けられ、これによりその安定性を把握することができます。この数が小さい場合、流れは層流であり、この数が大きい場合、流れは一般に不安定で乱流です。
安定した流れと不安定な、あるいは乱流（カオス）の流れとの間の移行は重要な研究対象です。
よくある質問
定常強制力によって流れが不安定になるのはなぜですか?
レイノルズ数が増加したときの層流から乱流への移行の研究は、場合によっては動的システム (分岐) の理論に基づいて行うことができます。不安定性は、ナビエ・ストークス方程式の非線形慣性対流輸送項に直接関連しています。定常励起に対する非定常応答は、流体力学の非線形特性を証明します。
- Re < 1 の場合、拡散現象が支配的であるため、方程式は線形になります。ナビエ・ストークス方程式は簡略化され、ストークス方程式になります。
- Re > 2000 の場合、対流現象が支配的なため、方程式は非線形になります。非線形性は、定常的な力に対する非定常効果、初期境界条件と比較した対称性の破れ、つまり乱流を生成します。起こるこの突然の変化は、支配的な拡散輸送モードから支配的な対流輸送モードへの移行に対応する。
乱流および層流における運動エネルギー散逸のメカニズムは何ですか?
速度勾配テンソルは対称テンソルと反対称テンソルの和として記述されます。ひずみ速度テンソルは熱の形での運動エネルギーの散逸に直接関係しており、回転速度テンソルは渦に関係しています。どのような流れにも、ひずみ分布 (エネルギーを散逸する) と回転の寄与 (散逸しない) が存在します。
乱流は層流よりも効率的に運動エネルギーを消散します。
乱流領域では、大規模な流れ（通常は流れのサイズ）に供給される運動エネルギーは、エネルギーカスケード機構によって小さなスケールに伝達されます。平均的な流れの規模での渦巻き運動は、わずかに渦を発生させます。より小さなスケール自体がより小さなスケールでの動きを生成するなど。このエネルギーカスケードプロセスは、非常に小さなサイズの励起された動きが分子粘性の影響下で熱として放散されるときに最終的に終了します。したがって、ある意味で、乱流中の小さなスケールへのエネルギーの移動によって散逸が起こると言えます。これは、散逸が大規模に直接作用する層流状態には当てはまりません。
小さな渦は乱流の中でどのように形成され、散逸においてどのような役割を果たしているのでしょうか?
平均的な流れは、渦度の伸縮メカニズムを通じて小さな構造を形成します。これらの小さな構造は、レイノルズ分解の変動場に対応します。したがって、エネルギーは平均的な流れからこれらのチューブに送られます。これらのチューブは勾配が高く、回転が速く、小さいため、効率的にエネルギーを放散します。