Reynoldsi arv ja turbulents

See, kas vedeliku vool on sujuv ja korrapärane või kaootiline ja keeriseline, sõltub kahte tüüpi jõudude vahelisest konkurentsist voolu sees. Inertsiaalsed jõud kalduvad hoidma vedelikuosakesi liikumas mööda oma olemasolevaid teid, ajendades häireid kasvama ja astmeliselt üle minema keeristeks ja kaoseks; viskoossed jõud seisavad vastu naabruses olevate vedelikukihtide vahelisele suhtelisele liikumisele, summutades häireid ja siludes voolu tagasi korrapäraste kihtide suunas. Reynoldsi arv, Re, on voolu iseloomulike inertsiaalsete jõudude ja iseloomulike viskoossete jõudude mõõtühikuta suhe, mis ühendab vooluk kiiruse, iseloomuliku pikkuseskaala (näiteks toru läbimõõdu), vedeliku tiheduse ja selle viskoossuse üheks arvuks.

Kuna Reynoldsi arv on mõõtühikuta — kiiruse, pikkuse, tiheduse ja viskoossuse ühikud tühistavad üksteist tema definitsioonis täielikult —, on samal arvväärtusel sama füüsikaline tähendus sõltumata sellest, millistes ühikutes see arvutati, ja sõltumata sellest, kas kõne all olev vool on mesi, mis liigub läbi väikese toru, või õhk, mis liigub üle lennuki tiiva. See ongi see, mis muudab Reynoldsi arvu nii võimsaks ennustavaks tööriistaks: madal Reynoldsi arv (viskoossed jõud domineerivad) ennustab laminaarset voolu, vedelikku, mis liigub sujuvates, paralleelsetes kihtides ilma nendevahelise segunemiseta; kõrge Reynoldsi arv (inertsiaalsed jõud domineerivad) ennustab turbulentset voolu, mida iseloomustavad kaootilised keerised, kiire segunemine ja ettearvamatud kohalikud kõikumised kiiruses ja rõhus. Nende režiimide vahel asub üleminekuvahemik, kus vool võib olla vahelduvalt laminaarne ja turbulentne, tundlik väikeste häirete suhtes.

Oluline on see, et see, kas antud tegelik vool lõpuks laminaarne või turbulentne on, ei ole määratud kiirusest üksi — väga viskoosse vedeliku kiire vool kitsas kanalis võib ikka olla laminaarne, samal ajal kui madala viskoossusega vedeliku aeglane vool laias kanalis võib juba olla turbulentne, kuna tulemuse määrab Reynoldsi arvus haaratud kombinatsioon, mitte kiirus üksinda. See on põhjus, miks sama kvalitatiivset üleminekut laminaarselt turbulentsele voolule täheldatakse väga erinevatel absoluutsetel kiirustel, sõltuvalt asjaomasest vedelikust ja geomeetriast, alates verevoolust arterites kuni vee vooluni torudes ja õhuvooluni üle tiiva, ja miks insenerid kasutavad Reynoldsi arvu, mitte ainult kiirust, süsteemide projekteerimisel, kus laminaarse ja turbulentse voolu vaheline erinevus on oluline takistuse, segunemise või soojusülekande jaoks.