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* * * * * 《工程流体力学》电子教案 动力系 /v_show/id_XMzIzMjIzMg==.html /v_show/id_XMzIzNTg0OA==.html 8 边界层理论初步 §8.1 边界层的基本概念 §8.2 层流边界层的微分方程 §8.3 边界层的动量积分关系式 §8.4 边界层的位移厚度和动量损失厚度 §8.5 平板的层流边界层的近似计算 §8.6 曲面边界层的分离现象 /v_show/id_XMzIzMjIzMg==.html 一、边界层 §8.1 边界层的基本概念 1.边界层的概念 在大雷诺数下紧靠物体表面流速从零急剧增加到与来流速度相同数量级的薄层称为边界层。 在实际应用中规定从固体壁面沿外法线到速度达到势流速度的99%处的距离为边界层的厚度。 2.边界层的厚度 一、边界层(续) §8.1 边界层的基本概念 3.边界层的特征 过渡区域 层流边界层 粘性底层 紊流边界层 (1)与物体的长度相比, 边界层的厚度很小; (2)边界层内沿边界层厚 度的速度变化非常急剧,即速度梯度很大; (3)边界层沿着流体流动的方向逐渐增厚; (4)边界层中各截面上的压强等于同一截面上边界层外边界上的压强; (5)在边界层内粘滞力和惯性力是同一数量级的; (6)边界层内流体的流动存在层流和紊流两种流动状态。 一、边界层(续) §8.1 边界层的基本概念 4.判别边界层层流、紊流的准则数特征 过渡区域 层流边界层 粘性底层 紊流边界层 x—离物体前缘点的距离 临界雷诺数 §8.2 层流边界层的微分方程 流体沿平板作定常的平面流动时,x轴与壁面相重合,并假设边界内的流动全部是层流,忽略质量力。则不可压缩粘性流体平面定常流动的连续方程和微分方程为: 边界层厚度远小于平板长度: y 的取值范围在边界层内: §8.2 层流边界层微分方程 得无量纲方程: 引入无量纲物理量: 基本的数量级估计: 由连续性方程: §8.2 层流边界层微分方程 得无量纲方程各项数量级估计如下: 第二式表明边界层内y方向压强梯度为零,即边界层内横截面上各点的压强相等。边界层外缘上的压强由势流决定: §8.2 层流边界层的微分方程 边界条件: 取出一个微小控制体 §8.3 动量积分方程 B D C A AB面流入的质量和动量: AC面流入的质量和动量: 单位时间沿x方向经控制面的动量通量: CD面流出的质量和动量: §8.3 动量积分方程 B D C A AB面上的总压力: 沿x方向诸外力之和为: CD面上的总压力: AC面上的总压力: BD面上的切向力: 单位时间沿x方向经控制面的动量通量: §8.3 动量积分方程 B D C A 根据动量方程,得 §8.4 边界层厚度的定义 由分部积分公式: 由伯努利方程及边界层厚度: 动量积分方程: 动量积分方程可改写为: §8.4 边界层厚度的定义 定义边界层位移厚度为: 位移厚度的物理意义: 考虑到边界层之外, ,则: 粘性作用使边界层内的过流能力降低,将减少的流量折算成以势流的来流速度的流量,其厚度就是位移厚度。 §8.4 边界层厚度的定义 动量积分方程可改写为: 考虑到边界层之外, ,则: 定义边界层动量损失厚度为: 动量损失厚度的物理意义: 边界层内因粘性而损失的动量,折算成以势流的来流速度的动量,其厚度就是动量损失厚度。 §8.5 平板层流边界层的近似计算 o 边界层外边界上 整个边界层内 边界层的动量积分关系式, §8.5 平板层流边界层的近似计算 (1) (4) 边界条件: 第一补充关系式:速度分布是 的幂级数 (2) (3) (5) o §8.5 平板的层流边界层的近似计算 第二补充关系式:牛顿内摩擦定律和速度分布规律 §8.5 平板层流边界层的近似计算 代入动量积分关系式, 积分得, 边界层厚度 §8.5 平板层流边界层的近似计算 动量损失厚度: 切向应力: 总摩擦阻力: 摩擦阻力系数: §8.5 平板层流边界层的近似计算 §8.5 平板层流边界层的近似计算 §8.6 曲面边界层的分离现象 加速降压区 减速升压区 不会发生边界层分离的区域: 可能发
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