TÍNH ỔN ĐỊNH CỦA CÁC DÒNG CHẢY
Vào năm 1883, Osborne Reynolds đã tiến hành một số thí nghiệm đơn giản nhưng có hiệu quả nhằm làm sáng tỏ cơ chế xuất hiện tính chảy rối. Các thí nghiệm này đã thúc đẩy sự phát triển như vũ bão của lĩnh vực thủy khí động lực học được gọi là lý thuyết về tính ổn định của các dòng chảy.
Reynolds đã nghiên cứu dòng chất lỏng chảy trong một ống thẳng dài có tiết diện ngang không đổi và thành ống phẳng mà chất lỏng được đổ vào đó từ một thùng lớn. Chảy từ phễu vào ống vẫn là chất lỏng ấy song đã được nhuộm mầu. Khi quan sát chuyển động chất lỏng trong ống, ông thấy rằng với các vận tốc dòng nhỏ, luồng chất lỏng nhuộm màu trải dài trên toàn ống thành một đường thẳng được kẻ rất nét. Dòng chảy là một trục thẳng gồm các lớp chuyển động đối với nhau, nghĩa là một dòng chảy phân tầng. Các lớp chất lỏng ở thành ống thực tế không di chuyển (không bị nhuộm màu, vận tốc lớn nhất là ở các lớp nằm xa thành ống nhất.
Nếu tăng dần vận tốc trung bình của dòng chảy trong ống thì bắt đầu từ một giá trị vận tốc v nào đó, luồng nước được nhuộm mầu sẽ chảy toé ra và chất lỏng chính trong ống sẽ bị nhuộm mầu hầu như theo khắp chiều dài ống. Điều đó có nghĩa là tính tuyến tính, tính phân lớp của dòng chảy đã bị vi phạm trong vận tốc của dòng chất lỏng đã xuất hiện các thành phần vuông góc với phương của dòng chảy chính, hướng tới thành ống. Nếu vận tốc trung bình vẫn giữ không đổi nhưng tăng đường kính ống thì ta lại thấy bắt đầu từ một đường kính D nào đó tính chảy thành tầng của dòng bị vi phạm.
Cuối cùng có thể thay đổi chất lỏng, thay vì nước ta lấy dầu, glyxêrin hay một chất khí nào đó, không khí chẳng hạn. Các chất lỏng và chất khí này có tỷ trọng và độ nhớt khác nhau. Reynolds đã nhận thấy rằng hiện tượng vi phạm chế dộ dòng chảy phân tầng sẽ luôn luôn xảy ra khi tỷ số giữa đường kính ống, vận tốc và độ nhớt chất lỏng hay chất khí có cùng một giá trị. Từ đấy người ta gọi tỷ số này, là số Reynolds.
Đối với các ống có tiết diện tròn, Reynolds đã thiết lập được rằng giá trị tới hạn của số Re ứng với sự mất tính phân tầng của dòng chảy bằng khoảng Reo= l,3.10-4 . Trong những thí nghiệm hiện đại được tiến hành chu đáo hơn, ở đó độ nhám của thành ống và các rung động đã được giảm thiểu, số tới hạn Reynolds đã được nâng lên tới giá trị Reo = 5.104.
Bản thân Reynolds, khi giải thích tính quy luật thu được, đã so sánh chuyển động của chất lỏng với chuyển động của một toán lính và sự chảy phân tầng được ví với một đội ngũ xếp hàng chỉnh tề. Vận tốc chất lỏng và đường kính của ống - đó là vận tốc và số lượng lính trong toán lính, độ nhớt tương tự như mức kỷ luật, còn mật độ là mức trang bị vũ khí. Toán lính càng đông chuyển động càng nhanh và trang bị càng nặng nề thì đội hình càng tán loạn sớm.
Lời đáp cho câu hỏi vì sao tính chảy thành tầng bị mất chính là ở tính ổn định của dòng chảy đối với các nhiễu loạn tương đối nhỏ. Trong thực tế không có các ống nhẵn một cách lý tưởng - tính nhám của mặt ống gây ra những nhiễu loạn trong dòng chảy. Các rung động của thiết bị thí nghiệm, tiếng ồn từ ngoài phòng thí nghiệm - tất cả những yếu tố đó đều tạo ra các nhiễu loạn phụ. Khi truyền cho dòng chảy các nhiễu loạn có thể tắt dần và khi đó dòng chảy được gọi là ổn định. Trong trường hợp ngược lại các nhiễu loạn tăng lên theo thời gian (hay theo mức tiến của chúng theo dòng chảy) và tính phân tầng của dòng chảy sẽ bị mất. Như vậy, động năng trong chuyển động của dòng chính được biến thành năng lượng nhiễu loạn.
