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空气动力学基本概念：流动分离与再附：边界层理论基础

1空气动力学基本概念：流动分离与再附-边界层理论基础

1.1流动与边界层基础

1.1.1流体动力学基本方程

流体动力学是研究流体（液体和气体）运动的科学，其基本方程包括连续

性方程、动量方程和能量方程。这些方程描述了流体在不同条件下的行为，是

理解边界层理论的关键。

1.1.1.1连续性方程

连续性方程基于质量守恒原理，表示在任意固定体积内，流体的质量不会

随时间改变。对于不可压缩流体，连续性方程可以简化为：

∂∂∂

++=0

∂∂∂

其中，、和分别是流体在、和方向的速度分量。

1.1.1.2动量方程

动量方程，也称为纳维-斯托克斯方程，描述了流体的动量变化。对于不可

压缩流体，无粘性流体的简化形式为：

∂∂∂∂1∂

+++=−+

∂∂∂∂

∂∂∂∂1∂

+++=−+

∂∂∂∂

∂∂∂∂1∂

+++=−+

∂∂∂∂∂

其中，是流体密度，是压力，、和是外力在、和方向的分量。

1.1.1.3能量方程

能量方程描述了流体能量的守恒，包括动能、位能和内能。对于不可压缩

流体，能量方程可以表示为：

∂

+∇⋅=−∇⋅+⋅+∇⋅−⋅

∂

其中，是总能量，是流体速度向量，是热流向量，是应力张量。

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1.1.2边界层的概念与分类

边界层是指流体紧贴物体表面的一层薄薄的流体区域，在这个区域内，流

体的速度从物体表面的零速逐渐增加到自由流的速度。边界层理论是流体动力

学的一个重要分支，它简化了流体动力学方程，使得复杂流动问题的分析和计

算成为可能。

1.1.2.1边界层分类

边界层可以分为以下几类：-层流边界层：流体在边界层内以层流形式流

动，流线平行且有序。-湍流边界层：流体在边界层内以湍流形式流动，流线

交错且无序。-分离边界层：当流体遇到物体的逆压梯度时，边界层内的流体

可能分离形成涡流。-再附边界层：分离后的流体在下游重新附着到物体表面，

形成再附边界层。

1.1.3层流与湍流的区别

层流和湍流是流体流动的两种基本状态，它们的主要区别在于流体的运动

方式和流体微团的相互作用。

1.1.3.1层流

在层流中，流体微团沿流线运动，流线平行且有序。层流流动的特征是流

体内部的摩擦力起主导作用，流体微团之间的相互作用较小。层流流动通常发

生在低雷诺数条件下。

1.1.3.2湍流

在湍流中，流体微团的运动是随机的，流线交错且无序。湍流流动的特征

是流体内部的惯性力起主导作用，流体微团之间的相互作用