[工学]流体力学 边界层基础及绕流运动.ppt

§8.4 平板边界层的近似计算 一、三种计算 x y O x L 层流边界层 过渡区 湍流边界层 层流边界层： 混合边界层： 紊流边界层： 二、平板边界层的计算公式 恒定均匀来流的平板边界层，其外边界满足 外边界上的流速处处相等，且等于来流速度； 外边界外按理想流体处理，据能量方程，由于流速不变， 则外边界上的压强也不变； 则（不可压缩流体）得到计算公式如下 三、平板层流边界层的计算 补充方程 边界层内的流速分布ux =f(y) ——同圆管层流 切应力?0随边界层厚度?的关系式?0 =g(?) x y O x L 三、平板层流边界层的计算 将补充方程代入动量积分方程式，并化简 三、平板层流边界层的计算 边界层切应力 平板上一面的摩擦阻力 平板上一面的摩擦阻力 四、平板紊流边界层的计算 补充方程 边界层内的流速分布ux =f(y) ——同圆管紊流光滑区 切应力?0随边界层厚度?的关系式?0 =g(?) 四、平板紊流边界层的计算 将补充方程代入动量积分方程式，并化简 四、平板紊流边界层的计算 边界层切应力 平板上一面的摩擦阻力 平板上一面的摩擦阻力 五、平板上混合边界层的计算 xc L 假设 大雷诺数，层流向紊流边界层在xc处突然发生 混合边界层的紊流边界层可以看作是从平板首端开始的紊流边界层的一部分； 层流边界层 过渡区 湍流边界层 五、平板上混合边界层的计算 §8.5 边界层的分离 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，如图所示。流线型物体在非正常情况下也能发生边界层分离。 边界层分离 （a）流线形物体；（b）非流线形物体 图 曲面边界层分离现象示意图 一、边界层的分离 圆柱绕流为例 （势流流动） 流体质点从D到E是加速降压过程， E点流速最大、压强最低;从E到F 则是减速增压过程； 对理想流体，没有能量损失，驻点F和D的压强相等，DE段和EF段压强对称，流体对圆柱的作用力为零。 一、边界层的分离 圆柱绕流为例 （粘性流动） 实际流体在圆柱表面形成边界层。在DE段加速减压过程中，消耗部分能量；所以在EF段运动过程中，又会因为壁面阻力的影响，不能到达F点，而是在某一点S处停滞，由于压力的升高产生回流导致边界层分离，并形成尾涡。 二.边界层厚度 1．名义厚度 定义为速度达到外流速度99%时离壁面的垂直距离，称为名义厚度δ(x )。 经过分析可得如下结论：粘性流体在压力降低区内流动（加速流动），决不会出现边界层的分离，只有在压力升高区内流动（减速流动），才有可能出现分离，形成漩涡。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。 一、边界层的分离 位置 流通截面积 A点 0 ↑ 停滞点 A点往上 ↓ ↑ ↓ 加速减压 B点 最小 最大 最小 过了B点 ↑ ↓ ↑ 减速加压 C点壁面附近 0 最大 停滞点, 亦是分离点 二、分离点 圆柱绕流 层流分离点：理论110，实际80。 紊流分离点：120 三、流动图案 边界层脱离壁面后的空间通常由后部的倒流流体来填充，形成涡旋，因此发生边界层分离的部位一般有涡旋形成。当流体绕曲壁流动时最容易发生这种现象，在圆柱后部发生的流动分离形成一对涡旋，称为猫眼。 不同雷诺数条件下绕圆柱的流动图谱 三、边界层分离 四、卡门涡街 1911年，匈牙利科学家卡门在德国专门研究了圆柱背后旋涡的运动规律。实验研究表明，当时黏性流体绕过圆柱体，发生边界层分离，在圆柱体后面产生一对不稳定的旋转方向相反的对称旋涡，超过40后，对称旋涡不断增长，至时，这对不稳定的对称旋涡，最后形成几乎稳定的非对称性的、多少有些规则的、旋转方向相反、上下交替脱落的旋涡，这种旋涡具有一定的脱落频率，称为卡门涡街。 * 中国海洋大学海洋工程系