流体力学-李玉柱PPT.pptVIP

§5.7 边界层与物体绕流 结果是，贴壁质点在E下游不远的S点附近速度几乎变为零（图5-26），逆压梯度作用下理应继续减速，但这实际上是不可能的，贴壁质点只好在S附近脱离边壁，壁面点S称为边界层的分离点。在分离点上流速梯度和切应力都为零。 和 其中y为距壁面的距离。根据流动连续性，分离点上游边界层内的来流会被挤向主流区，这就是边界分离现象。 §5.7 边界层与物体绕流 发生边界层分离后，物体尾部的流动结构会发生很大的变化。一般的，在分离点下游形成尺度较大的回流区，伴随有剧烈紊动和大量涡体。紊动旋涡区向下游延伸，该区域称尾流或尾迹（图5-25c阴影区），直到离绕流体很远处旋涡才逐渐衰亡。 §5.7 边界层与物体绕流 边界层的摩阻以及尾流区的旋涡运动会耗掉大量的能量，使得尾流区压强比迎流面压强低得多（压强分布见图5-25d中点划线），绕流阻力只要来源于物面压力的合力，称压差阻力或形体阻力其大小取决于尾流宽度B，对物体形状的变化比较敏感，往往比摩擦阻力大得多。 §5.7 边界层与物体绕流 §5.7.4 物体的绕流阻力 绕流物体在来流方向上受到的作用力称绕流阻力，垂直来流方向的作用力称升力，两者都包含摩擦阻力和压差阻力的贡献。 CD称阻力系数。 当圆球绕流为Re＜1的层流时，通过N-S方程的简化求解，斯托克斯（1951）得出了阻力系数CD的理论值 §5.7 边界层与物体绕流 进一步得 这就是著名的斯托克斯公式，表明层流阻力D与U∞、d成正比。 阻力和浮力两者达到平衡时的下降速度称为沉体的沉降速度或简称沉速。 层流边界层向近壁层传递能量的效率较低，在逆压梯度作用下边界层易脱离壁面，称层流分离。边界层的流态过度到紊流之后，剧烈惨混促使能量和动量更有效地传到近壁层，边界层过度到紊流后再分离称紊流分离。 §5.7 边界层与物体绕流 由图5-27中圆球绕流CD～Re曲线可见，在临界值Re≈2.2×105处CD值迅速下降，这称为失阻效应。 §5.7 边界层与物体绕流 圆柱体二维绕流当 时，由N-S方程可推出兰姆（H.Lamb)公式 图5-28虚线表示摩擦阻力对CD值得贡献。与实际对比后可知，当Re＞500时摩擦阻力比总阻力要小1～2个数量级，这表明摩擦阻力一般可忽略不计。 §5.7 边界层与物体绕流 §5.7 边界层与物体绕流 §5.7.5 卡门涡街和绕流升力 光滑圆柱体二维绕流实验表明： 当Re＜0.5时，柱面上不发生边界层分离； 当5＜Re＜50时，尽管边界层发生分离，但尾流区较短，圆柱后有一对反向旋涡，流态基本对称； 若Re继续增大，尾流区会增长，且呈现蜿蜒摆动状，从Re=65开始大尺度旋涡会从柱面两侧周期性地交替脱落下来，这些涡体进入尾流区，交错式排成两列（图5-29），各涡体以常速度向下游移动，这种尾流漩涡称卡门涡旋。 §5.7 边界层与物体绕流 涡街脱落频率 按下式估算 §5.7 边界层与物体绕流 固定圆柱发生绕流时，尽管没有转动，但其瞬时绕流场不对称，压强分布上下不对称，这就产生了瞬时升力。 依据库达-儒克夫斯基定理，跨度B的圆柱体的升力 将会与 一起按频率 作周期性的振荡变化。为了估计L的振幅，将环量公式即 代入到升力算式，得 §5.7 边界层与物体绕流 其中，A=2aB是迎面面积。可见，升力L与 、A成正比。据此，物体绕流升力的幅值通常写成一下形式 其中，CL称为升力系数。 * * * * * * * * * * * * §5.5 紊流的沿程损失 尼古拉兹实验：沿程阻力系数与雷诺数关系图 §5.5 紊流的沿程损失 尼古拉兹实验曲线的五个区域 层流区 管壁的相对粗糙度对沿程损失系数没有影响 2. 过渡区 不稳定区域，可能是层流，也可能是紊流 §5.5 紊流的沿程损失 3.紊流光滑区 沿程损失系数?与相对粗糙度无关，而只与雷诺数有关。 勃拉休斯公式： 尼古拉兹公式： 卡门-普朗特公式： §5.5 紊流的沿程损失 4.紊流过渡区 沿程损失系数?与相对粗糙度和雷诺数有关 洛巴耶夫公式： 柯列布鲁克公式： 兰格公式： §5.5 紊流的沿程损失 5.紊流粗糙区 沿程损失系数?只与相对粗糙度有关。 尼古拉兹公式： 此区域内流动的能量损失与流速的平方成正比，故称此区域为平方阻力区。 §5.5 紊流的沿程损失 §5.5 紊流的沿程损失 §5.5.2 摩阻系