层流向湍流的转捩要点.ppt

《粘性流体力学》电子教案 层流向湍流的转捩 5 影响转捩的因素 影响转捩位置以及转捩过程的因素较为复杂，有压强梯度、自由流的湍流度、物体表面的粗糙度、可压缩性以及流体与物面的热交换等。 压力梯度的影响 压力梯度由于影响速度剖面而影响临界雷诺数 顺压力梯度使速度剖面饱满，流动稳定；逆压力梯度使速度剖面出现拐点，流动不稳定。 注：在逆压力梯度时，常常由于分离的层流速度的分布极不稳定，有时会形成分离泡，在分离点是层流，而再附点是湍流，看不到三维波动和湍流斑。 层流翼型：通过控制压力梯度以控制转捩 压力梯度对转捩过程也有着显著的影响 平均压力梯度对从临界雷诺数到转捩雷诺数的成长过程的影响 平均压力梯度的定义（0,加速流；0，减速流） 自由流湍流度（turbulence intensity）和噪声的影响 自由来流湍流度对流动的转捩也有着显著影响。当来流湍流强度较大时，层流的转捩过程中可以不出现T－S波而直接过渡到湍流，出现所谓的“短路现象” 例：在低湍流度风洞进行的平板边界层试验表明，在T0.08％时，湍流度对边界层的转捩不会产生影响，而当T＝3％时，转捩雷诺数由2.8×106下降到105。 相对湍流度： 范德列斯特Van Driest －布鲁默Blumer公式（1968） 上式中对于平板边界层 只考虑 的影响 联系实际1： 利用自由来流湍流度对转捩雷诺数的影响关系，可测定风洞中气流的湍流度。 将一个光滑的球，放在风洞的试验段内，气流速度逐渐增大，当大到一定的时候，阻力突然下降，这时的雷诺数为转捩雷诺数。自由来流湍流度趋于零时试验所得到的转捩雷诺数为385000。试验风洞的湍流度因子定义为385000与实际测量的转捩雷诺数之比。 缺点：圆球的制造形状稍有偏差，影响转捩雷诺数 测量的只是转捩时所对应的风速时的湍流度 在近代低速风洞中，由于设计上的完善，相对湍流度可以降低当10－4量级，即万分之一左右。 此时，风洞的背景噪声将可能成为引起过渡的重要因素。 在高亚声速风洞中噪声可能控制流动的转捩。 在超声速风洞中，马赫波的脉动则是最重要的扰动源。 目前，声波也被用来作为人工控制流动转捩（提前）的方法 联系实际2： 进行缩比模型风洞试验时，需人工提前附面层的转捩 在大风洞中作全尺寸试验时（雷诺数一样），则需要风洞具有很低的湍流度 表面粗糙度的影响 总的来说，粗糙促进转捩的发生。 粗糙体的临界高度：对转捩不产生影响的粗糙体的最大高度 粗糙体的极限高度：可使转捩在粗糙体所在位置处发生的粗糙 体高度 粗糙度的影响主要通过试验进行研究，试验中把粗糙分为圆柱体粗糙（或二维）、分布粗糙和孤立粗糙三种情形 a 二维粗糙体 临界高度的公式—戈尔茨坦(S. Goldstein) 极限高度计算公式—塔尼(I. Tani) b 分布粗糙体 法因特（E. G. Feindt）对圆形收缩管道或渐扩管道中的研究结果 热传导的影响 热传导对层流稳定性的影响主要是通过对壁面流体的粘度 梯度影响而影响速度剖面分布（有无拐点）实现的。 热壁情况使流动趋于不稳定 冷壁使流动趋于稳定 对于液体流动，正好相反 边界层的吹出和吸入 一般来说：吸出增加流动的稳定性 吹入则促使流动不稳定 6 转捩的预估 Granville方法 沿流向计算层流边界层的位移厚度雷诺数 线性稳定性理论在局部压力梯度下求得的临界雷诺数 确定开始失稳的位置 确定转捩点位置 (Granville提出 ) 对顺压力梯度， ，式中最后一项的数值很大，所以过渡点将离临界点下游很远； 在分离流动中， ，则最后一项可以略去，即 临近 法 主要用于二维和轴对称边界层的转捩计算中，是一种半经验方法。 基本假定：在临界雷诺数时 引入的小扰动放大了 （约8000倍）时则发生转捩。 主要过程： 由边界层方程算出速度剖面 对于给定的扰动频率、波长和雷诺数，由orr- sommfeld方程算出扰动沿x方向的增长率 积分得扰动放大倍数沿x方向的分布关系，积分 下限由失稳点开始，即临界雷诺数处。 Cebeci-Smith法 (1974) 此方法简便，且精度与 法相当。 Cebeci-Smith直接给出了转捩时 与 之间的关系： 当外部势流速度给定后，可以由某一种层流边界