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114年
理化、化工裝置
第 45 題
某學生在進行直管內流體流動型態之實驗時，試圖了解影響層流轉變為亂流的因素。依據雷諾數的定義，下列哪一項操作變化最有助於使原本的層流更容易轉換成亂流？
- A 降低流體流速
- B 減小管內直徑
- C 提高流體黏度
- D 增加流體密度
思路引導 VIP
想像流體的流動是一場「慣性」與「阻力」的拔河：慣性傾向於讓流體亂跑，而阻力傾向於讓流體乖乖排隊。如果我們希望讓流動變得更混亂、更不穩定，我們應該強化這條公式中代表『物質前進動能』的部分，還是強化代表『內部摩擦與約束』的部分呢？
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恭喜你準確掌握了流體力學的核心概念！這道題目的關鍵在於理解雷諾數 ($N_{Re}$) 的物理意義及其數學表達式。在化工裝置與流體力學中，判斷流動型態（層流或亂流）最直接的依據就是雷諾數的大小： $$N_{Re} = \frac{D \cdot v \cdot \rho}{\mu}$$ 其中 $D$ 為管徑、$v$ 為流速、$\rho$ 為流體密度，而 $\mu$ 則是流體黏度。當雷諾數增加到一定程度（通常大於 4000）時，流體就會從穩定的層流轉變為混亂的亂流。從公式中可以清楚看到，流體密度 ($\rho$) 位在分子，這意味著密度與雷諾數成正比。因此，增加流體密度會直接提升雷諾數，使流體具備更高的慣性力，進而更容易突破黏滯力的束縛，演變為亂流。
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