第六章实际流体的绕流运动.doc

第六章 实际流体的绕流运动 Chapter Six Circling Motion of The Actual Fluid 本章讨论的是考虑黏性作用的流体流动，只涉及不可压缩实际流体。 第二节 边界层的基本概念 The Conception of Boundary Layer 流体作用于物体上的力可分解为两个分量： 一个是垂直于来流方向的作用力，称为升力； 一个是平行于来流方向的作用力，称为阻力。 一、边界层的概念(The Conception of Boundary Layer) 德国科学家普朗特在1904年通过实验指出，在大雷诺数情况下，黏性的影响仅限于被绕流物体表面的贴壁薄层之内，在薄层之外的所谓外部流动中，黏性可以被忽略，并称这一薄层为边界层。 在边界层和尾涡区内，黏性力作用显著，黏性力和惯性力有相同的数量级，属于黏性流体的有旋流动区； 在边界层和尾涡区外，流体的运动速度几乎相同，速度梯度很小，边界层外部的流动不受固体壁面的影响，即使黏度较大的流体，黏性力也很小，主要是惯性力。所以可将这个区域看作是理想流体势流区， 普朗特边界层理论开辟了用理想流体理论和黏性流体理论联合研究的一条新途径。 实际上边界层内、外区域并没有明显的分界面，一般将壁面流速为零与流速达到来流速度的99％处之间的距离定义为边界层厚度。 边界层厚度沿着流体流动方向逐渐增厚，这是由于边界层中流体质点受到摩擦阻力的作用，沿着流体流动方向速度逐渐减小，因此，只有离壁面逐渐远些，也就是边界层厚度逐渐大些才能达到来流速度。 普朗特边界层内流体流动的特征为： 与绕流物体长度相比，边界层厚度很小； 前缘处厚度为零，沿流动方向逐渐增厚； 边界层内部的速度，在物面处为零，沿物面法线方向速度变化是，由急剧增大过渡到缓慢增大，愈近壁面，速度梯度愈大，旋涡强度亦愈大； 边界层内黏性摩擦力与惯性力是同一数量级； 边界层内压强。因边界层很薄，可以认为物体壁面法线方向上各点压强不变，且等于其外界处压强值。因此，边界层内压强仅只是沿壁面坐标的函数。 边界层内流态有层流、紊流两种，其临界雷诺数可近似取为5×106～3×106。 二、管流边界层(Boundary Layer of tube stream ) 图6-4是圆管入口段的定常流动情况，由图中可清楚看到管流的发展过程。 圆管内流动完全是层流流态时，入口段长度L*较大，由实验可知L*=0.058dRe 当加大流速，使边界层在圆管入口某处变为紊流时，由于紊流边界层厚度增加快，则入口段长度比层流流态时短，约为 L*=20～50d 三、自由边界层(Free Boundary Layer) 从喷管向充满同种或不同种流体的空间喷出的射流，是边界层流动的另一种实例。 第四节 边界层分离现象 Boundary Layer Separation 物体表面绕流中，物体表面上的边界层可能从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，我们称这种现象为边界层分离现象，如图6-9所示。 一、边界层分离的原因(The Reason of Boundary Layer Separation) 以圆柱体绕流为例定性说明边界层分离的原因。 当黏性流体绕圆柱体流动时，在圆柱体前驻点A处，流速为零，该处尚未形成边界层，即边界层厚度为零。 随着流体沿圆柱体表面上下两侧绕流，边界层厚度逐渐增大。层外的流体可近似地作为理想流体，理想流体绕流圆柱体时，在圆柱体前半部速度逐渐增加，压强逐渐减小，是加速流。当流到圆柱体最高点B时速度最大，压强最小。到圆柱体的后半部速度逐渐减小，压强逐渐增加，形成减速流。由于边界层内各截面上的压强近似地等于同一截面上边界层外边界上的流体压强，所以，在圆柱体前半部边界层内的流动是降压加速，而在圆柱体后半部边界层内的流动是升压减速。 因此，在边界层内的流体质点除了受到摩擦阻力的作用外，还受到流动方向上压强差的作用。在圆柱体前半部边界层内的流体质点受到摩擦阻滞逐渐减速，不断消耗动能。但由于压强沿流动方向逐渐降低，使流体质点得到部分增速，也就是说流体的部分压强能转变为动能，从而抵消一部分因摩擦阻滞作用而消耗的动能，以维持流体在边界层内继续向前流动。 但当流体绕过圆柱体最高点B流到后半部时，压强增加，速度减小，更促使边界层内流体质点的减速，从而使动能消耗更大。当达到S点时，近壁处流体质点的动能已被消耗完尽，流体质点不能再继续向前运动，于是一部分流体质点在S点停滞下来，过S点以后，压强继续增加，在压强差的作用下，除了壁上的流体质点速度仍等于零外，近壁处的流体质点开始倒退。 接踵而来的流体质点在近壁处都同样被迫停滞和倒退，以致越来越多被阻滞的流体在短时间内在圆柱体表面和主流之间堆积起来，使边界层剧