香烟的烟雾

在一间空气不流动的房间里，点燃一支香烟。在点燃的烟头附近，烟呈平稳的细流上升，上升了几厘米之后，烟雾就突然散开。这是为什么呢？香烟的烟雾在冒出时，由于比室内空气温度高，密度比空气小，受浮力而上升，并且随速度的增大，受到空气的阻力也越来越大。开始时，阻力比浮力小。达到一定高度后，烟雾就突然散开变成极不规则的烟流。
     这种现象就是流体力学中所谓的层流到湍流的转变。在流水中放入一个障碍物，当流速很慢时，流水平静而缓缓地绕道而过，除了在障碍物处稍稍偏转流向外，看不出有明显变化，这种流动叫做层流。随着速度的增加，首先会在障碍物后产生旋涡；当速度进一步增大，障碍物后的水面会变得非常不平静，旋涡不断产生，不断破碎，水流的样子变得极其复杂，瞬息万变，这时候的流动叫湍流。
     （1）层流 （2）固定旋涡虽然湍流现象时时刻刻都发生在人们周围，但是，人们对湍流研究直到1883年才由英国科学家雷诺开始。雷诺设计了这样一个实验：在液体流动的圆形管内，在轴线或靠轴线处引入颜料流丝。如水管中液体流速不大，颜料呈规则的光滑流线。当流速足够大时，颜料丝将剧烈地振荡，这时湍流发生了。为了确定湍流发生的条件，雷诺改变了液体的流速，管子的直径及流体的种类，发现湍流产生与一个控制量R有关： 其中V为液体速度，ρ为密度，? 为粘滞系数，S为管子直径。R称为雷诺数。当雷诺数低于一个确定值时，流动表现为层流，当 R高于此值时，层流就变成了湍流。人们对湍流的研究近百年来进展一直不大，它作为一个老大难问题遗留至今。计算机的诞生和混沌力学的创立，给湍流的研究开创了新的前景。