传热学多媒体教学辅助系统（赵镇南）5.3 边界层概念.pptVIP

第5章 5.3节 (13) * 5.3 边界层概念 牛顿粘性定律：几乎所有流体的阻力都与其速度梯度成正比: 表面局部摩擦系数Cf, x根据切应力定义: 第5章 5.3节 (13) * 5.3.1 速度边界层 无滑移边界条件, 第5章 5.3节 (13) * 边界层内流体速度达到主流速度的99％ 处为速度边界层的外缘，该处距壁面的距离为速度边界层厚度，记作? 。 薄层内流体的速度梯度： 空气, u = 10 m/s, ? = 2 mm, u? = 5 000 /s。 把整个流场分为两个区域：边界层区和边界层以外的主流区(势流区)。 在边界层区内，粘性切应力也不容忽视，与惯性力处于同一数量级。 第5章 5.3节 (13) * 在主流区里速度梯度几乎等于零，无论该流体的实际粘度有多大，此同时粘性切应力的影响可以忽略不计 : 理想流体。 流体的流动状态分为层流、湍流，以及介于这两者之间的过渡流。 层流边界层 临界雷诺数 105 ～ 3×106 流体保持层流状态的距离 xc 湍流边界层 第5章 5.3节 (13) * 粘性底层 缓冲层 湍流核心区 普朗特边界层理论基本观点的总结: (1)边界层厚度是远远小于沿流动方向壁面尺寸的一个很小的量。 (2)?整个边界层内，壁面处的法向速度梯度具有最大值。 第5章 5.3节 (13) * (3)??流体流动状态分为层流和湍流，湍流中有一个紧靠壁面极薄层，速度梯度和粘性力均特别大。 (4)可以把流场划分为边界层区和主流区，流体的粘性只在边界层区内才明确地显现出来。而在边界层以外，可以忽略粘性的影响，即把主流区的流体视为无粘性的理想流体。 当Re非常小的时候,粘性力占绝对优势 第5章 5.3节 (13) * Re很大，除粘性底层外，惯性力占据主导地位 就一般情况来说，边界层区域内的粘性力和惯性力的数量级相当 请注意: 上述介绍以沿平板无界外部流动为背景 在平板前缘很短的一段距离内，边界层理论不适用 并非所有流动均属于边界层类型，出现边界层脱体（分离）或发生回流等情况，边界层的基本特性将不复存在 第5章 5.3节 (13) * Ludwig Prandtl born at Freising, Bavaria on February 4, 1875, was a German Physicist famous for his work in aeronautics. He qualified at Munchen in 1900 with a thesis on elastic stability and held the position of Professor of Applied Mechanics at Gottingen for forty-nine years ( until his death there on August 15, 1953). 第5章 5.3节 (13) * Wilhelm Nusselt (1882 – 1957) Osborn Reynolds (1842 – 1912) 第5章 5.3节 (13) * 5.3.2 热边界层 热边界层（thermal boundary layer）也称温度边界层。 在壁面附近一个很薄的流层内，其中的温度梯度非常大。 (tw－t ) / (tw－tf ) = 0.99 对应位置的离壁距离为热边界层厚度，记作? t 。 第5章 5.3节 (13) * 运用热边界层的概念，可以把整个流场也划分成具有截然不同特点的两个区域： 热边界层以内（对湍流是粘性底层以内）温度变化非常剧烈，导热机理起着重要作用 热边界层以外几乎可以看作等温流动区域 研究对流换热时只需要考虑边界层以内的热量传递 第5章 5.3节 (13) * 5.3.3 边界层概念的重要意义 根据边界层理论的基本概念，研究流体速度分布以及摩擦力时只需要关注流动边界层以内的流场区域就够了。同样道理，对于存在温差的对流换热问题，也只需要研究热边界层范围以内的区域，尤其应注意壁面处的速度变化率和温度变化率。 第5章 5.3节 (13) * 流动边界层和流体的速度分布与切应力及界面摩擦相联系，热边界层和流体的温度分布则与对流换热的表面传热系数相联系。在发生对流换热的情况下，两个边界层总是并存的。 对流换热是热传导和热对流联合作用的结果，相对大小取决于流体的流动状态、物性以及换热表面的几何形状等因素。 下一节