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什么是层流？
层流，又称为流线型流动，是一种流动状态，其中流体中的粒子沿着光滑、相互平行的层运动。在层流中，相邻层之间很少发生混合，并且即使出现波动，都是非混乱的。当流体流动中的粘性力大于内部动力时，就会出现层流。湍流则不同，在湍流中，流体微团会发生不规则和混乱的运动，如形成的漩涡和涡流。层流最常见于流速相对较低的粘性流体。
工程师之所以需要关注层流，是因为无混合和相对稳定的流体运动，会影响流体周围固体物体上的载荷、流体中发生的混合以及传热。有时，工程师会需要使流动保持层流状态，例如在手术室中，需要层流气流将污染物从患者身上带走。但另一方面，有的设计也可能会需要利用湍流，例如在高尔夫球应用中，层流反而会增加阻力。
如何计算和表征层流？
由于层流具有流线型、分层的特点，工程师使用方程来计算流体速度、速度波动以及由湍流引起的压力波动，而这种表征始于一个被称为雷诺数的无量纲量。然后，其他方程可捕获有助于设计或测量层流的其他行为。
预测层流：雷诺数
英国研究员Osborne Reynolds于1883年发表了一篇论文，描述了简单管道中水流从层流到湍流的过渡过程。他的观察结果表明，内部力与粘性力之间的比值可以预测湍流发生的可能性。这一无量纲值比值，就被称为雷诺数（Reynolds number）。
雷诺数的方程为：
\( Re = \frac{uL}{v} = \frac{\rho u L}{\mu} \)
ρ=流体密度（kg/m3）
u =流速（m/s）
L=特征维数或特征长度，例如管径、水力直径、等效直径、翼型弦长（m）
μ=流体的动态粘度（Pa·s）
v=运动粘度（m2/s）
雷诺的研究表明，雷诺数较低的管道流动保持为层流，因为它们缺乏足够的能量(这种能量以惯性力体现)，无法将流体运动中的任何不稳定性转化为垂直于平均流动方向的流动。然后，随着流体速度或密度相对于流体粘度的增加，就更有可能形成湍流。
层流的重要特征
在处理层流时，工程师、物理学家和化学家还要注意以下一些特征：
边界层
边界层是与固体表面相邻的流动层。如果流动类型为层流，那么在边界层中，流动将与表面保持平行。流体在表面的速度为零，称为无滑移边界条件；而流速会随着离表面距离的增加而单调上升，直到达到主体流体的速度。边界层可以是层流，也可以是湍流。边界层的厚度和速度分布，是确定壁面剪切力阻力和传热的重要特征。
计算流体力学（CFD）仿真示例：一个具有体积的空间中，存在一个移动平板时的层流流动。平板表面的相对速度为零，然后单调增加到主体速度。
扩散
在湍流中，交叉流涡流主导了各流体层之间的混合，而层流与湍流不同，其流线型流动模式使每层流动层的粒子彼此分离，混合只能通过相邻层之间的扩散来进行。扩散，是物质从高浓度向低浓度的移动。因此，在层流中，粒子会从特定物质浓度较高的层移动到浓度较低的相邻层。
表面粗糙度
表面粗糙度是工程师在设计时可以控制的参数，以保持或破坏层流。表面越粗糙，边界层的摩擦阻力就越大，如果剪切应力增长到足以克服粘性力，流动就将从层流过渡到湍流。涡轮发动机压缩机叶片的设计就是一个良好例证，其中金属表面的粗糙度会极大地影响湍流边界层的形成，从而影响叶片的性能。
速度剖面
由于层流并非杂乱无章，因此可以清晰地描绘出速度在整个流动方向上的变化情况，这被称为速度剖面。速度剖面是一种简单的方法，可查看高流速区域和低流速区域的位置，以及了解当几何结构或入口发生变化时，速度会受到怎样的影响。
如何对层流进行分析？
由于在层流中流体以平行层的形式流动，因此可以使用流体力学的控制方程——纳维-斯托克斯方程来计算层流状态下的流体行为。这些方程定义了质量、动量和能量守恒，以描述流体的压力和速度。圆柱形管道内或两块平板之间的简单流动，可以使用解析解（封闭形式解）来表征。但是，对于形状更复杂的管道内部和周围的流动，则需要使用计算流体力学（CFD）来离散化流动体积，然后求解随时间变化的压力、速度和温度。
显示涡轮发动机叶片周围层流的CFD模型
由于层流会沿着边界表面的形状流动，因此层流建模成功的关键之一是创建与该表面平行的网格，即离散化步骤，以便最好地捕获边界层。工程师通常使用像Ansys TurboGrid™涡轮叶片网格划分软件这样的工具，为已知拓扑自动创建高效、准确的边界层网格。
由于CFD程序会求解模型中每个网格单元中的流动，因此形状均匀网格的任何变形，或单元尺寸的突然变化，都会导致求解中的数值误差。构建CFD模型的工程师在创建网格过程中会花费大量时间，以确保其网格表现良好且高效，这是因为网格单元的数量决定了运行时间。因此，拥有一款包含网格划分功能的工具（如Ansys Fluent®流体仿真软件）非常重要，这些功能可帮助用户创建高效的网格拓扑，从而实现准确高效的解决方案。
层流分析中，大量工作都集中于试图确定流动何时转捩为湍流。对于湍流分析，除了求解标准纳维-斯托克斯方程外，还需要其他数学模型。因此，即使您的目标是在整个几何结构建模过程中保持层流，也可能需要进行一些湍流分析工作
在过去十年中，层流分析领域的一个变化是使用图形处理单元（GPU）来求解CFD模型。使用一个或多个此类计算加速器，可以大幅缩短给定模型的运行时间，使工程师能够在相对便宜的工作站上进行CFD求解，或在相同的时间内完成更多的设计迭代。
为什么了解层流如此重要？
从管道中的流动到飞机的空气动力学，无论您正在处理哪种类型的流体，了解和正确预测层流都是设计产品（从核电厂到最新高性能飞机）的重要环节。如上所述，了解层流通常涉及到了解在所处理的应用中，什么范围的雷诺数会导致流场从层流过渡到湍流。
实验室中的层流罩就是一个简单的示例——科学家和技术人员可以在这些盒子中处理有害物质，因为进入罩内并向上从通风口排出的直线气流会确保他们的安全。再比如，以高尔夫球为例，人们希望尽快引入湍流以减小阻力。
图示：高尔夫球上的凹坑如何用于引入湍流，使气流附着在球的背面，从而减小尾流尺寸，进而减小球的阻力
当需要在流体中输送多种物质而不发生过多混合时（通常是为了将输送的物质沉积在某个位置），层流也很重要。例如，在半导体制造中，设计化学气相沉积室的工程师需要使进入气相沉积室和晶圆上方的流体形成均匀层流，以实现所处理化学物质的均匀沉积。