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第十二章 边界层理论;8. 船体摩擦阻力计算;§12-1 边界层的概念; 从边界层厚度很小这个前提出发,Prandtl率先
建立了边界层内粘性流体运动的简化方程,开创
了近代流体力学的一个分支——边界层理论。 ;均匀来流速度;U99%;根据速度分布的特点,可将流场分为两个区域:;重要推论:;(2)势流的近似计算中,可略去边界层的厚度,
解出沿物体表面的流速和压力分布,并认为就
是边界层边界上的速度和压力分布,据此来计
算边界层。;边界层内的流动状态:;层流边界层转变为湍流边界层的判别准则:;§12-2 边界层基本微分方程;以此作为基本假定,将N-S方程(二维)化简:;因为 ~ ,所以Re ~δ′2;所以;化简后为;讨论:;Blasius解----顺流放置无限长平板上的层流
边界层流动。;上述边界层方程简化为:;具有Blasius相似解: ;将上式代入边界层方程,有;采用级数展开办法,或者直接进行数值积分。;例7.1 本例说明上表12-1的用法。; ;(2)按上例条件,求x=3m处的边界层厚度δ;由牛顿内摩擦定律;上式可看出平板层流边界层局部摩擦切应力
与x坐标的平方根成反比的规律随着x的增
加而减小。;总摩擦阻力系数Cf由下式确定:; 虽然边界层基本微分方程比N-S方程要简单
得多,但求解问题仍有很大困难尚且如此之大,
因此,发展求解边界层问题的近似方法便具有很
大的理论与实际意义。;§12-3 边界层动量积分方程; 单位时间内经过AB面流入的质量和带入的
动量分别为:;单位时间内流出CD面的质量和动量分别为:;单位时间内控制体内沿x方向动量变化:;A,C 两点的平均压力;BD面上作用在流体上的总切应力为:
FBD=-τ0dx;可得到定常流动条件下卡门动量积分方程式:;式中未知数有vx,τ0和δ三个。求解方程要补充两个关系式:;拉格朗日积分改写为:;或;两边除以ρU2,稍加整理后得;§12-4 边界层排挤厚度和动量损失厚度;以获得补偿流量;;可用理想流体的速度U流过某层厚度为θ的截面
的流体动量来代替,即;为计算的方便,有时将积分上限由δ变为∞,即:;§12-5 平板层流边界层 ; 为不可压缩流体平板边界层动量积分方程,层、湍流边界层均适用。;(12-30); 而排挤厚度得:;所以;平板总阻力:;;由实验结果得出,对于不同Re,n取值如下:;Re=106~2×107 , ζ=0.045, m=1/4
Re=3×107~3×108, ζ=0.039, m=2/9 (12-3)
Re=3×108 ~1010, ζ=0.032 m=1/5;
;将θ和τ0代入平板边界层动量积分方程,即:;因在湍流中流体的混杂能力使得边界层的影响扩
展得较快的缘故。;(12-45);阻力系数:;§12-7 平板混合边界层;
;;将式(12-47)和(12-39)代入上式,得
平板混合边界层的摩擦阻力系数:;若用对数公式代替指数公式,则有相应的混合边界层公式:;例7.2 一平板长5m,水流以速度0.19m/s流
过平板,试分别求离前端1m及4.5m处边界层最大
厚度,并求在该两点垂直距板面5mm处的速度。;再由(12-30)式;例7.3 一平板宽为2m,长5m,在空气中运动的
速度为2.42m/s。试分别求沿宽度方向及沿长度
方向运动时的摩擦阻力。;沿平板长度方向:;§12-8 船体摩擦阻力的计算 ;Sachdeva和Preston(1976)的船模试验结果:;为计算方便,设船体和“相当平板”的摩擦阻力相同,再用经验系数来修正。;§12-9 边界层分离与形状阻力;1.沿曲面压力变化对边界层内流动的影响;从O到C:;y;2.边界层内速度剖面???状;(2)D点近壁处的流体动能消耗殆尽,
有ux=0,即;E;DF: ux=0点的连线,速度间断面。 ;边界层分离的两个条件:;§12-10 绕物体流动的阻力;理想流体绕物体流动,不存在压差阻力。;E;圆球和圆盘的阻力系数;
;阻力危机的原因:;二、无边界层分离的流线型体的压差阻力;流线型体:浸湿面积增加了,摩擦阻力增大,但防止了边界层分离,大大降低压差阻力,总阻力降低。;园盘形状阻力;
; ;流线型物体的形状阻力;细长体阻力;§12-11 减小粘性阻力的方法;Cayley测量一条鲟鱼的纵截面形状,很接近低
阻力翼型。; 因尖点后出现很强的反向压力差,使边界层
立即在尖点处分离,应尽可能避免。;三、加导流片;四、边界层控制;2.抽吸作用;3.吹喷作用;五、采用层流翼型;六、聚合物溶液的减阻
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