第六章 外部绕流.ppt

第六章 外部绕流 6.1 边界层的基本概念 6.2 边界层的分离 6.3 绕流物体的阻力及其分类 6.1边界层基本概念 1、绕流运动 2.绕流分类 根据雷诺数的大小分为： ①低雷诺数流动 称为蠕变流或斯托克斯流动。 ②高雷诺数流动 高雷诺数流动可分成三种主要类型： a.不可压缩流体绕流。 b.具有自由表面的绕流。 c.可压缩流体绕流。 3.边界层的概念Boundary Layer ①边界层，又称附面层。当粘性流体以大雷诺数绕流静止物体时，在壁面附近将出现一个流速由壁面上的零值迅速增至与来流速度相同数量级的薄层，称为边界层。 边界层(Boundary Layer) 边界层的形成 边界层(Boundary Layer) ②边界层的厚度 4.绕流翼型的几个概念 ①阻力Drag:平行于流动方向的力。 计算公式 绕流翼型的几个概念 ②升力 : 垂直于流向的力 计算公式 绕流翼型的几个概念 ③翼弦 Chord 连接后缘和前缘的直线。 6.2边界层分离SEPARATION 1.曲面边界层的分离现象 曲面边界层的分离现象 当流体绕着一个曲面物体流动时，沿边界层外边界上的速度和压强都不是常数。如图所示，在曲面体MM′断面以前，由于过流断面收缩，流速沿程增加，压强沿程减小 曲面边界层的分离现象 在边界层内，沿壁面外法线方向的压强都是相等的，上述关于压强变化规律不仅适用于边界层外边界，也适用于边界层内。也就是说在MM′断面以前的边界层内为减压区，流体质点一方面受到粘性阻滞作用，另一方面又受到压差的推动作用，部分压能转换为流体动能，边界层内流动还可以维持下去。当流体质点进入MM′断面以后的增压区，情况不同了，流体质点不仅受到粘性的阻滞作用，而且也受到反向压差的阻滞作用，在这两种力阻滞作用下，边界层内流速急剧下降，当达到曲面某一点Ｓ处 曲面边界层的分离现象 从上述分析可以看出: 2.分离的条件 边界层分离的根本原因是粘性的存在，分离的条件是逆压梯度。 在顺压梯度（ ）的平板边界层中，不管平板有多长，流动不会分离；同样，在理想流体绕流流动中，即使存在大的逆压梯度，也不会发生分离。 层流边界层与紊流边界层都会发生分离，但是在相同的逆压梯度下，层流边界层比紊流边界层更容易发生分离。 4.分离后果 边界层分离后将产生旋涡，并不断被主流带走，在物体后面形成尾涡区，尾涡区内的流体由于旋涡的存在，产生很大的摩擦损失，消耗能量，所以边界层分离产生很大的阻力损失。 曲面附面层的分离现象与卡门涡街 卡门涡街（Karman Vortex Street） 卡门涡街 卡门涡街 曲面附面层的分离现象与卡门涡街 如图所示，当Re40时，附面层对称的在Ｓ处发生分离，形成一组对称旋涡。在Re=40～70时，尾流出现周期性振荡。Re90，旋涡从柱体后部交替地释放出来，形成了卡门涡街。Re150，涡街消失，但旋涡的产生仍然是周期性的，随着Re数继续加大，周期性振动消失，变成不规则的高频振动了。 曲面附面层的分离现象与卡门涡街 由于旋涡交替地离开圆柱体，对圆柱体产生了垂直于主流方向周期性的作用力，如果这个频率与柱体的自然频率接近时，就要发生共振，如风吹过电线时发出的嗡鸣声，水中螺旋桨的“唱音”等等。1940年美国华盛顿州的塔可马（Tacoma）吊桥被风吹毁也是这个原因 6.3绕流物体的阻力及其分类 1.绕流阻力 2.两种潜体的阻力特性 ① 称为低雷诺数流动或蠕动流，边界层不会发生分离，主要是摩擦阻力，随Re的增加而下降，其关系式为： 此情况与管流阻力中层流区类似。 ③ 范围内阻力系数变化很小。当Re数近似于 时，阻力系数突然下降，边界层发生在前半部，形成很宽的分离区，阻力以形状阻力为主，当 时，阻力系数显著下降，边界层由层流变为紊流，紊流的横向脉动和混掺增大了靠近壁面的流体的能量，使分离点后移，使尾涡区变窄，压差阻力减小。 绕流阻力和升力 减阻措施 主要措施控制边界层。 使边界层尽可能长地保持层流;将绕流的物体设计成流线型的防止边界层的分离，或使边界层的分离点尽可能向后移；增加表面粗糙度的方法。 边界层分离的根本原因是粘性的存在，分离的条件是逆压梯度。流体绕过流体运动时，流体对物体都会施加作用力。包括绕流阻力摩擦阻力和形状阻力。摩擦阻力是由于粘性所引起的，由附面层理论可求得；形状阻力又称压差阻力，其大小取决于绕流物体前后的压差，这跟物体的形状有关，特别是物体后半部分形状关系极大，目前形状阻力大小一般靠实验来确定。摩擦阻力和形状阻力总和为绕流阻力，其计算公式和摩擦阻力计算公式类似。 单价超过10亿美元，能抵御大风浪的海上采油平台； EXIT 大型水利枢纽工程，超高层建筑，