边界层及其分离课件

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在实际流体绕流固体时，固体边界上的流速为0，在固体边界的外法线方向上的流体速度从0迅速增大在边界附近的流区存在相当大的速度梯度，在这个流区内粘性作用不能忽略，边界附近的流区称为边界层（或附面层），边界层外流区，粘性作用可以忽略，当作理想流体来处理。边界层及其分离1边界层及其分离22:13:1220.99u04.7.1边界层的形成及其性质08:04:4420.99u04.7.1边界层的形成及其性22:13:123如上图，平板前方均匀来流的速度v∞，从平板前缘开始形成边界层，其厚度沿流增加。在边界层外缘附近流速渐近于当地外流速度。边界层定义：绕流物体表面上一层厚度很小且其中的流动具有很大法向速度梯度的流动区域。08:04:443如上图，平板前方均匀来流的速度v∞，从平板22:13:124对于平板绕流，边界层外缘，对于弯曲固壁，边界层外缘。

边界层的外边界线与流线不重合，外流区域中的流体质点可以连续地穿过边界层的外缘进入边界层内。0.99ue0.99u0

边界层内、外区域并没有明显的分界面，一般将壁面流速为零与流速达到来流速度的99％处之间的距离定义为边界层厚度。

边界层厚度沿着流体流动方向逐渐增厚，这是由于边界层中流体质点受到摩擦阻力的作用，沿着流体流动方向速度逐渐减小，因此，只有离壁面逐渐远些，也就是边界层厚度逐渐大些才能达到来流速度。08:04:4440.99ue0.99u0边界22:13:125普朗特边界层理论开辟了用理想流体理论和粘性流体理论联合研究的一条新途径。粘性边界层区：在边界层和尾涡区内，粘性力作用显著，粘性力和惯性力有相同的数量级，属于粘性流体的有旋流动区；理想流体区：在边界层和尾涡区外，流体的运动速度几乎相同，速度梯度很小，边界层外部的流动不受固体壁面的影响，即使粘度较大的流体，粘性力也很小，主要是惯性力。所以可将这个区域看作是理想流体势流区。流场的求解可分为两个区进行08:04:445普朗特边界层理论开辟了用理想流体理论和粘性22:13:126层流边界层和紊流边界层边界中的流动同样存在两种流态：层流和紊流普朗特把贴近于平板边界存在较大切应力，粘性影响不能忽略的薄层称为边界层1.边界层的描述08:04:446层流边界层和紊流边界层边界中的流动同样存22:13:127转捩点，临界雷诺数转捩点：在x=xk处边界层由层流转变为紊流的过渡点。临界雷诺数：

临界雷诺数的大小与物体壁面的粗糙度、层外流体的紊流度等因素有关。增加壁面粗糙度或层外流体的紊流度都会降低临界雷诺数的数值，使层流边界层提前转变为紊流边界层。对平板的边界层，层流转变为紊流的临界雷诺数为08:04:447转捩点，临界雷诺数转捩点：在x=xk处边22:13:1284.7.2管流边界层层流紊流08:04:4484.7.2管流边界层层流紊流22:13:12同济大学航空航天与力学学院9

一、曲面边界层的分离现象

在实际工程中，物体的边界往往是曲面（流线型或非流线型物体）。当流体绕流非流线型物体时，一般会出现下列现象：物面上的边界层在某个位置开始脱离物面，并在物面附近出现与主流方向相反的回流，流体力学中称这种现象为边界层分离现象，如下页图所示。流线型物体在非正常情况下也能发生边界层分离。4.7.3曲面边界层的分离现象和卡门涡街08:04:44同济大学航空航天与力学学院9一、曲面22:13:12同济大学航空航天与力学学院10曲面边界层的分离08:04:44同济大学航空航天与力学学院10曲面边界层的分22:13:12同济大学航空航天与力学学院111、断面以前,过流断面收缩，流动加速，为顺压梯度区；流体压能向动能转变，不发生边界层分离2、断面以后,过流断面不断扩大，流动减速,为逆压梯度区；动能只存在损耗，速度减小很快3、S点以后的流体质点在与主流方向相反的压差作用下,产生与主流反方向的回流，但是离物体壁面较远的流体，由于附面层外部流体对它的带动作用，仍能保持前进的速度。回流和前进这两部分运动方向相反的流体向接触，就形成旋涡。在附面层的外边界上，具有速度的最小值与压强的最大值08:04:44同济大学航空航天与力学学院111、22:13:12同济大学航空航天与力学学院12旋涡的出现，将导致附面层与壁面脱离，这种现象称为附面层的分离。S点称为分离点08:04:44同济大学航空航天与力学学院12旋涡的出现，将22:13:12同济大学航空航天与力学学院13结论：粘性流体在压力降低区内流动（加速流动），不会出现边界层的分离，只有在断面逐渐扩大、压强沿程升高区内流动（减速流动），才有可能出现分离，形成旋涡。尤其是在主流减速足够大的情况下，边界层的分离就一定会发生。

08:04:44同济大学航空航天与力学学院13结论：22:13:12同济大学航空航天与力学学院14

附面层分离后，物体后部形成许多无规则的旋涡，由此产生的阻力称为形状阻力。

因为分离点的位置，旋涡区的大小，都与物体的形状有关，故称形状阻力

对于有尖角的物体，流动在尖角处分离，愈是流线形的物体，分离点愈靠后。08:04:44同济大学航空航天与力学学院1422:13:12同济大学航空航天与力学学院15分离实例08:04:44同济大学航空航天与力学学院15分离实例22:13:12同济大学航空航天与力学学院16分离实例圆柱后部：猫眼08:04:44同济大学航空航天与力学学院16分离实例圆柱后22:13:12同济大学航空航天与力学学院17第三节短管出流管路的分类根据阻力在总阻力中的比重不同分为：“长”管：指管道中水头损失以沿程损失为主， 局部损失和流速水头所占比重较小，在计算 中可忽略不计的管道。“短”管：指水头损失中，局部水头损失和沿程水头损失都占有相当比重，均不能忽略的管道。08:04:44同济大学航空航天与力学学院17第三节短管出22:13:12同济大学航空航天与力学学院18根据管道的布置方式不同分为：简单管道：单一直径没有分支的管道复杂管道：两根以上管道所组成的管系，如 串联管路、并联管路及管网等。第三节短管出流08:04:44同济大学航空航天与力学学院18根据管道的布置22:13:12同济大学航空航天与力学学院19如图所示0-0为基准线，1-1及2-2两断面间能量方程短管自由出流第三节短管出流08:04:44同济大学航空航天与力学学院19如图所示0-022:13:12同济大学航空航天与力学学院20第三节短管出流短管自由出流流量系数08:04:44同济大学航空航天与力学学院20第三节短管出22:13:12同济大学航空航天与力学学院211-1及2-2两断面间能量方程第三节短管出流短管淹没出流08:04:44同济大学航空航天与力学学院211-1及2-222:13:12同济大学航空航天与力学学院22第三节短管出流短管淹没出流流量系数08:04:44同济大学航空航天与力学学院22第三节短管出22:13:12同济大学航空航天与力学学院23虹吸管流速第三节短管出流08:04:44同济大学航空航天与力学学院23虹吸管流速第三22:13:12同济大学航空航天与力学学院24虹吸管正常工作条件最大真空度列1-1和最高断面c-c的能量方程：流量第三节短管出流08:04:44同济大学航空航天与力学学院24虹吸管正常工作22:13:12同济大学航空航天与力学学院25最大安装高度第三节短管出流08:04:44同济大学航空航天与力学学院25最大安装高度第22:13:12同济大学航空航天与力学学院26扬程的计算略去速度水头