2空气动力学基础-2-4粘性流体动力学1选读.pptVIP

空气动力学基础 沈阳航空航天大学 航空航天工程学院 飞机设计教研室 2014年3月;粘性流体动力学基础 流体的粘性及其对流动的影响 雷诺实验、层流与湍流 粘性流体的应力状态 广义牛顿内摩擦定理（本构关系） 粘性流体运动方程---Navier-Stokes方程;工程中遇到的问题大多是粘性流体运动问题，实际的粘性流体运动现象远比理想流复杂，从而控制粘性流体运动的基本方程及其求解也相对复杂 本章（补）的任务是： 介绍粘性流体运动的基本概念、流动现象和流动特征 建立控制粘性流体运动的基本方程 得到解决粘性流体运动问题的基本思路、方法和途径;（一）流体的粘性及其对流动的影响 流体的粘滞性是指，流体在运动状态下抵抗剪切变形能力。 流体的剪切变形是指流体质点之间出现相对运动。因此流体的粘滞性是指抵抗流体质点之间的相对运动能力。 在静止状态下，流体不能承受剪力。但是在运动状态下，流体可以承受剪力，而且对于不同种流体所承受剪力大小是不同的。 ;自然界中流体都具有粘性，因此粘性对流体运动的影响是普遍存在的。 对于具体的流动问题，粘性所起的作用并不一定相同。特别是象水和空气这样的小粘性流体，对于某些问题忽略粘性的作用可得到满意的结果。因此为了简化起见，提出了理想流体的概念和理论。 然而对于实际的流动，粘性对流动的影响是如何体现的？粘性流动的特点是什么？;我们首先回顾一下在绪论中曾经提到过的几个与粘性流体运动有关的基本现象和问题： 为什么麻面的高尔夫球比光球打得更远？;为什么自行车运动员要戴一个圆头尖尾的帽子？能否反过来戴成尖头圆尾，或做成尖头尖尾？;为什么汽车的阻力主要取决于汽车后部而不是前部？;为什么汽车和飞机作高速运行时，我们在功率（燃料消耗）上必须付出与速度增加不成比例的超乎想象的高代价？为什么空气阻力是速度的最终限制？;（一）流体的粘性及其对流动的影响;粘性流体流过无厚度平板时的流动特点： 不允许流体穿透平板（满足不穿透条件） 不允许流体在平板上滑移（满足不滑移条件，由于粘性，紧贴板面的流体质点粘附在平板上与板面无相对运动）;与物面的粘附条件（无滑移条件）是粘性流体运动有别与理想流体运动的主要标志。 随着离开板面的距离加大，与物面的强粘性作用逐步向外层传递，直至流层间不存在速度差别。 ;（2）圆柱绕流 理想流体绕流圆柱时的流动特点： 在流体质点绕过圆柱的过程中，只有动能、压能的相互转换，而无机械能的损失。在圆柱面上压强分布对称，无阻力存在。（达朗贝尔疑题）;粘性流体绕圆柱时的绕流特点：边界层分离 机械能损失: 物面近区由于粘性将产生边界层，由A点到B点的流程中将消耗部分动能用于克服摩擦阻力做功 丧失部分机械能的边界层流动无法满足由B点到D点压力升高的要求，在BD流程内流经一段距离就会将全部动能消耗殆尽（一部分转化为压能，一部分克服摩擦阻力做功），于是在壁面某点速度变为零（S点）。;旋涡区的出现，使得圆柱壁面压强分布发生了变化，前后不对称（如前驻点的压强要明显大于后驻点的压强），因此出现了压差阻力。;粘性对流动的影响小结： （1）粘性摩擦切应力及其与物面的粘附条件（无滑移条件）是粘性流体运动有别与理想流体运动的主要标志。 （2）粘性是产生摩擦阻力的根本原因，粘性边界层在一定条件（逆压梯度）下产生分离是形成压差阻力的根本原因。 （3）对于研究阻力、边界层及其分离、旋涡的扩散等问题时，粘性起主导作用不能忽略。;（一）流体的粘性及其对流动的影响 粘性流体抵抗剪切变形的能力，可通过流层间的剪切力表现出来（这个剪切力称为内摩擦力）。粘性流体在流动过程中必然要克服内摩擦力做功，因此流体粘滞性是流体发生机械能损失的根源。 牛顿的内摩擦定律（Newton，1686年） F=μAU/h ;（一）流体的粘性及其对流动的影响 流层之间的内摩擦力与接触面上的压力无关。 设 ? 表示单位面积上的内摩擦力（粘性切应力），则 μ-----流体的动力粘性系数（单位：Ns/m2=Pa.s） ? =μ/?---流体的运动粘性系数（单位：m2/s ） ?水= 1.139?10-6 (m2/s) ?空气= 1.461?10-5 (m2/s);（一）、流体的粘性及其对流动的影响; 速度梯度 du/dy 物理上也表示流体质点剪切变形速度或角变形率。 如图所示： u+du dy