第五章流阻与损失8

第八节边界层概念与绕流阻力 一 内流和外流1 内部流动 流体在通道中内的流动 圆管 明渠2 外部流动 绕流运动 流体绕静止物体 河水绕过桥墩 风吹过建筑物物体在静止流体中的运动 船舶在水中航行 飞机在空气中飞行 粉尘或泥沙在空气或水中沉降等3 流体作用在绕流物体上的力绕流阻力 平行于来流方向的分力升力 垂直于来流方向的分力 二 边界层概念 附面层 BoundaryLayer 1 边界层定义 以平板边界层 外流 为例 雷诺数很大时 粘性小的流体 如空气或水 沿固体壁面流动 或固体在流体中运动 时壁面附近受粘性影响显著的薄流层 顺流平板边界层 讨论边界层的意义 边界层内边界层外 特点求解 速度梯度大 粘性影响不能忽略 u U0 粘性影响可忽略 看成理想流体运动 按粘性流体求解 但边界层很薄N S方程可大大简化 边界层以外可按理想流体求解 无旋运动 势流 边界层概念是德国力学家普朗特1904年首先提出的 为解决粘性流体绕流问题开辟了新途径 并使流体绕流运动中一些复杂现象得到解释 边界层理论在流体力学发史上具有划时代意义 2 边界层厚度 BoundaryLayerThickness 由壁面沿法线方向到速度ux 0 99U0处的距离定义为边界层厚度 以 表示 是由平板前缘算起的距离x的函数 顺流增大此时 的边界线是一条曲线 不是直线 也不是流线 流线可穿过此边界线 例如20 的空气 U0 10m s时 x 1m 1 8mmx 2m 2 5mm 3 边界层结构 边界层内存在阻力 必然存在层流和紊流两种流态 前部 薄 速度梯度很大 流动受粘滞力控制为层流 随流动距离增长 增大 速度梯度逐渐减小 粘滞力影响减弱 最终在某断面 c处转变为紊流 转捩点 在x xc处 c边界层由层流转变为紊流的过渡点紊流边界层内 紧靠壁面也有一层极薄的粘性底层 层流边界层 过渡层 紊流边界层 4 管道进口段的边界层 内流 管道进口段长度le 从进口速度接近均匀到管中心流速达到最大值的距离 在计算hf时 若管长l le 则不考虑起始段 否则要加以考虑并分别计算 三 曲面边界层及其分离 SeparationofBoundaryLayer 以无限长圆柱面为例 讨论均匀流绕曲面壁流动1 曲面边界层的分离 因压强沿流动方向增大 边界层内的流体从壁面离开的现象称边界层分离 录像yanzhu112 mpg M M前A v p 顺风骑车 后面质点推前面质点向前运动 曲面边界层不分离E点umax 最大速度点 M M后A v p 逆风骑车 速度越来越慢 前面压力大于后面 向前越来越难S分离点v 0出现旋涡区 曲面层分离 下游质点在逆压梯度作用下回流 外侧流体摩擦阻力小 继续流动 D点uD 0 滞止点 pD pmax 2 压强阻力 形状阻力 Dp 尾流 在物体边界层分离的下游形成的旋涡区 与物体形状有关 摩擦阻力及尾流旋涡耗能使p尾流 p来流 p造成DpRe数较高时Df Dp Dp是绕流阻力的主要影响因素 Dp D 工程上将一些绕流物体设计成流线型 以减少阻力如汽车 飞机 潜艇等 D Df Dp 绕流阻力 压强阻力 摩擦阻力 减小尾流的主要途径 使绕流体型尽可能流线型化 圆柱绕流 当Re 90时形成卡门涡街 旋涡从圆柱两侧周期性地交替形成和脱落 使圆柱体受到交替变向的横向力 由此引起圆柱体横向振动 一旦横向力的频率接近圆柱体的固有频率时 就会发生共振 对建筑物造成危害 雷诺数继续增大 大尺度旋涡分解为随机的紊流运动 柱后的涡街也随之消失 卡门涡街不仅限于圆柱体 一切钝形物体都可能受到涡激振动的作用 四 绕流阻力 CD 绕流阻力系数 无量纲数 其值主要取决于绕流体体型和Re U02 2 单位体积来流的动能A 绕流体在垂直于来流方向的投影面积 因为很难从理论上得出CD 故多由实验确定 五 绕流升力 当绕流