无人机空气动力学课件 2.3低速附面层

《无人机空气动力学》低速附面层PART1附面层的产生及性质PART2层流附面层和紊流附面层目录PART

1附面层的产生及性质一、附面层的产生及性质实际流体都有粘性。把流体绕固态物体流动时在紧贴物体表面附近形成的流速沿物面法线方向逐渐增大的薄层空气称为附面层(也称边界层)。飞机在空气中飞行时，粘性作用主要表现在附面层里，附面层内的粘性对飞机的摩擦阻力、气流分离的影响都很大。一、附面层的产生及性质附面层的概念是1904年由德国空气动力学家普朗特(LudwingPrandtl)最早提出的，这为解释空气动力中的摩擦阻力和压差阻力的产生原因奠定了理论基础。一、附面层的产生及性质空气流过物体时，由于物体表面不可能是绝对光滑的，且空气本身具有粘性，所以紧贴物体表面的一层空气受到阻滞，流速减小为零。这层流速为零的空气又通过粘性的作用影响相邻上一层空气的流动，使上层空气流速减小。一层影响一层，在紧贴物体表面的范围，就有流速沿物面法线方向逐渐增大的薄层空气，在这一薄层内流动的空气就是附面层，如图所示。一、附面层的产生及性质空气沿物面流过的路程越远，附面层就越厚。在附面层内，各层空气之间相互摩擦，使附面层内空气的部分动能(动压)转化为热能，散逸到周围去了，并没有转化为压力能。一、附面层的产生及性质空气沿物面流动时，紧贴附面层的主流空气不断受到附面层内空气粘性的影响，逐渐减速变成附面层内的气流。所以空气沿物面流动的路程越远，附面层也就越厚。对一般飞机来说，从机翼前缘开始，翼面附面层逐渐增厚，离开机翼前缘1~2m处，附面层的厚度约为数毫米到数十毫米。一、附面层的产生及性质附面层内沿物面法线方向各点的压力不变，且等于主流的压力。如图，二维机翼(翼型)附面层示意图。沿翼面法线方向，压力不变，P2点的压力等于Q2点的压力。附面层内气流速度沿物面法线方向是变化的，为什么压力却相等呢?这是因为在附面层内，各层空气之间相互摩擦，使附面层内空气的部分动能(动压)转化为热能，散逸到周围了，并没有转化为压力能。一、附面层的产生及性质附面层的形成是受到粘性的影响。PART

2层流附面层和紊流附面层层流附面层和紊流附面层的不同特点二、层流附面层和紊流附面层实验表明，根据附面层的流动特点，可分为层流附面层和紊流(或称湍流)附面层。在层流附面层内，空气分层流动，各层互不混淆，空气微团没有强烈的上下乱动现象(从微观角度看，层流中的分子运动当然仍是杂乱无章的，否则就不存在粘性了)；在紊流附面层内，空气微团上下乱动明显，各层之间强烈混合，呈现局部的微小旋涡，速度也出现脉动，是一种紊乱的流动。层流附面层和紊流附面层的不同特点二、层流附面层和紊流附面层层流附面层和紊流附面层的厚度不同，速度分布即速度梯度也不同。在紊流附面层中，空气微团的上下脉动较强，各层间的动量交换增多，因而紊流附面层的厚度较大；对层内而言，会使相邻各层之间的流速差减小，因而沿法向的速度梯度较小。层流附面层和紊流附面层的不同特点二、层流附面层和紊流附面层但是，在紊流附面层靠近物面的部分，空气微团的上、下脉动受到限制，流动仍属于层流，称为层流底层。层流底层的流速梯度要比层流附面层的大，因而紊流附面层在物面处的速度梯度也比层流的大。层流附面层和紊流附面层的不同特点二、层流附面层和紊流附面层1882年英国物理学家雷诺通过大量的实验发现：一切不可压缩粘性流体(包括水、油、空气等)在管道内流动时，都可分为层流和紊流两种流态；决定了粘性流的流态，其组合数就衡量流体惯性力和粘性力相对大小的一个无量纲相似参数，这个组合参数被称为雷诺数，用符号Re表示。层流附面层和紊流附面层的不同特点二、层流附面层和紊流附面层雷诺数是一无量纲物理量。雷诺数相当于运动流体微团具有的惯性力与受到的粘性力之比。Re数越小的流动，粘性作用越大；Re数越大的流动，粘性作用越小。对管内流动，当Re<2300时，流动总能维持层流，2300