流体力学核心概念：边界层、层流和湍流
流体力学核心概念：边界层、层流和湍流
流体力学是研究流体（液体和气体）运动规律的科学，在工程和自然现象中有着广泛的应用。其中，边界层、层流和湍流是流体力学中的三个核心概念。本文将用通俗易懂的语言，帮助读者理解这些专业术语。
边界层
书本定义是：当流体流过固体表面时，由于流体的粘性，会在固体表面形成一个厚度逐渐增加的薄层。薄层内垂直壁面方向，流体速度逐渐增大。
这句话看起来，好像懂了，又好像没懂，咱们逐字分析。“流体流过固体表面”说明流体力学研究中所指的边界层是发生在流体和固体交界面之间（这个边界层是在流体和固体交界面之间），那么比如一杯水，上面是空气，这是流体和流体的交界面，当前研究中就不列入边界层的概念。
然后粘性，啥意思？流体力学中说的流体粘性是指流体阻碍自身流动的一种特性。像这样，我吹一口气，那么这束气体就比周围气体流体速度大，然后周围挨着它气体说，你不要走，然后这束气体说，你跟我走，这就导致，这束气边缘的气体以减慢自身速度为代价，带走了它周围的一些气儿，这就是粘性。
稍微拓展点儿，为什么会有这种相互牵扯，或者说阻碍呢？同为流体，液体和气体还有点儿不一样。液体分子间距离近，粘性多数是因微观粒子间的作用力。
比如水，是因为氢键，而气体，主要是因为分子热运动，这种上蹿下跳的不规则运动，一股流动气体内的分子，它不是直直前行，而是乱跳着前行，这就导致不同速度层间的气体彼此交换，快的跳慢的里，慢的跳快的里，自然彼此牵扯和阻碍。
流体粘性理解了，咱们继续看这句话，在固体表面形成一个厚度逐渐增加的薄层。
刚说粘性是流体内部的，和固体有什么关系呢？任何固体壁面都有粗糙度，流体流过具有一定粗糙度的固体壁面时，最贴近壁面一层的流动被阻挡，速度骤降，然后，由于流体粘性，这一层就拉着下一层流体，下一层一边走一边拉着下下一层的流体，这样一层一层往后传递，就导致被影响的区域沿流动方向越来越厚，从垂直壁面的角度（方向）看，流体速度从接近零增加到主流速99%的时候，就以此为界，定义其和壁面之间的区域叫边界层。
用AICFD做了个仿真，给大家更直观地看一下边界层的样子。
边界层在实际工程中得很多场景都是必须要考虑的重要因素，比如风洞试验中，边界层会导致风洞的有效直径变小，影响流动参数。
到此，边界层的概念应该解释清楚了。接下来看一下层流和湍流，他们是流体2种不同的流动状态。
层流和湍流
层流，可以理解为流动是分层的，层与层之间不会互相干扰。有时，你甚至很难注意到它在流动。
而湍流，就是不同层之间的流体互相干扰、互相混合，一眼看过去，就是一个大写的“乱”字。有时称其为乱流、扰流或者紊流。大部分工程问题都是湍流。
AICFD做了仿真，给大家看一下数值模拟层流和湍流的样子。
那么一股流体的流动，是层流还是湍流，和什么有关系呢？
1883年，英国物理学家雷诺，做了著名的圆管流动试验。展示了层流还是湍流，可以用一个无量纲数来判断：ρvd/μ，也就是后来大名鼎鼎的雷诺数Re。雷诺数Re越大，流动就越容易是湍流。这个公式不展开讲，里面v是流速，μ、ρ、d分别是流体动力粘性系数、密度和特征长度，很多情况这三个数是不变的，雷诺数表现出和流体速度正相关。
简单理解，慢慢流是层流，流快了就变湍流了。而层流不是瞬间变换到湍流，中间过程叫“过渡流动”。层流到湍流之间的变化，专业术语叫：转捩。再实际工程中首先要估算雷诺数，判断是层流还是湍流，然后再按照不同的模型去分析和计算。
另外，再补充一点，层流和湍流之间的转捩，不只和雷诺数有关，还和扰动有关，比如管内流动，管壁不同的粗糙程度会造成不同的扰动。壁面越光滑，层流到湍流就需要越大的雷诺数。
关于湍流，目前人类对它的认识还远远不够。著名物理学家、诺贝尔奖获得者费曼曾说过：湍流是经典物理学中最后一个尚未解决的重要问题。这一点，从计算流体力学，也就是计算机仿真中也能看感受到。你随便打开一款流体仿真软件，包括AICFD，会有好几个湍流模型让你去选择。那应该选哪一个呢？我也不知道，就是根据直觉，不是，经验去判断。其实，选择仿真模型这件事本身，就已经体现出了科学的无奈。因为最准确的湍流计算，就应该是没有湍流模型。
所以，屏幕前的你加油啊，如果在21世纪吹开笼罩在物理学头顶的这一朵叫湍流的乌云，应该就能拿下诺贝尔物理学奖。也让仿真工程师以后不用再纠结用哪个湍流模型，甚至都不用判断是层流还是湍流了。