第十二讲不可压缩粘性流体的外部流动_505301701.pdf

第十二讲： 不可压缩粘性流体的外部流动 不可压缩粘性流体的外部流动 一、边界层基本概念 二、平板边界层计算 三、边界层流动分离 四、绕流物体的阻力 1-1 粘性流动的边界层  边界层问题的提出：讨论雷诺数足够大的流动时， 能否在整个流场忽略粘性，作理想流体假设，使 问题简单易解？  不论流动雷诺数大到什么程度，只要流体与固壁 之间有沿壁面切向的相对运动，由于无滑移物面 条件必须满足，紧贴着物体表面有一层薄的边界 层，在边界层中流速沿壁面法向的变化非常急剧， 而且雷诺数越大，边界层越薄，流速梯度越大， 所以在边界层中，粘性力是必须要考虑的。而在 边界层外，则完全可以作理想流体处理。  著名科学家普朗特于1904年在海德堡的一次 学术会议上提出。  粘性作用，无滑移条件。  粘性影响，只限于靠近壁面附近的区域，此 薄层区域称为边界层。  边界层厚度δ：u=0 ～ u=0.99U ，人为制定。 0 内边界 外边界 问题： 边界层内有粘性，边界层外无粘性，是否正确? 1-2 边界层基本特征 讨论平板边界层的意义 因为边界层的厚度比起一般规则物体的曲率 半径是很薄的，所以在局部观察边界层内的 流动时，物面就好象是平板一样。由此可见， 一块平板的外部绕流问题是最重要，最基本 的。 与物体的特征长度L相比，边界层的厚度δ很小 即δ/L﹤﹤1。 边界层内速度梯度很大，边界层外粘性影响很 小。 边界层厚度沿流动方向逐渐增厚。 边界层内粘性力和惯性力为同一数量级。 在边界层内，可近似认为壁面法向方向压力保 持不变，即 p  0 y 边界层内流体流动的层流和湍流两种状态，用 Re 判别。 x 转捩点：由层流转变为湍流的位置。边界层 转捩的过程和机制十分复杂，与许多因素有关， 如Re数、流动稳定度、流体速度、几何形状和 表面粗糙度等直接相关。直到目前仍在深入探 讨和研究。 区分两种流态的重要性 层流边界层与湍流边界层在边界层 厚度、边界层内速度分布和壁面切 应力等方面有很大的区别。湍流边 界层中雷诺应力所代表的动量对流 使流速分布趋于均匀，所以湍流边 界层比层流边界层厚，顺流增厚的 速度也比层流边界层快，相对均匀 的流速分布还导致壁面切应力的增 加。正因为如此，对两种流态的边 界层必须分别讨论。 边界层摩擦阻力：层流边界层的摩擦阻力小。 湍流边界层因动能消耗大，摩擦阻力也较层流 大得多，通常可达3-10倍。 1-3 边界层基本方程 边界层理论解：  德国流体力学家布拉修斯 （H.B lasius） 在1907年成功解决了平板的层流边界层问 题，导出了与实验数据一致的层流摩擦定 律。  湍流边界层问题的研究已进行了很长时间， 但一直没有得到满意解决。至今仍是流体 力学中有名的难题之一。 1-4 边界层的厚度定义 不可压缩粘性流体的外部流动 一、边界层基本概念