边界层理论基础
在雷诺数很大的实际流体中,当物体以较高的 速度相对运动 或流体以较高的速度绕过物体时,由于流体与固体之间的附着力 作用,紧贴壁面的流体必然粘附于壁面上,流速为零没有相对运 动。但随壁面距离的增大,壁面对流体的影响减弱,流速迅速增 大,至一定距离出就近于不受固体扰动的速度,所以得到沿物体 表面法线的速度分布图 图中B点把速度分布曲线 分成了AB和BC两部分, 这样,在边界附近的流区 s-s,尽管这个流区很薄, 但这里的粘性作用极为重 要不能忽略,这个流区称 为边界区。
1、从a到s流动加速,为顺压梯度区; 流体压能向动能转变,不发生边界层分离 2、从s到e流动减速, 为逆压梯度区; 动能只存在损耗,速度减小很快 3、在s点处出现粘滞 ,由于压力的升高产生 回流导致边界层分离,并形成尾涡。
结论:
粘性流体在压力降低区内流动(加速流动),决不会 出现边界层的分离,只有在压力升高区内流动(减速流 动),才有可能出现分离,形成漩涡。尤其是在主流减速 足够大的情况下,边界层的分离就一定会发生。
由于边界层厚度δ是坐标x的函数,所以Rex和Reδ之 间有一定关系,x越大,δ越大,Rex和Reδ均变大, 当雷诺数达到一定值时,层流边界经过一个过渡区 后,就转变为紊流边界层。
边界层分离
当流体绕流非流线型物体时,一般会出现下列 现象:物面上的边界层在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,流体力 学中称这种现象为边界层分离现象。
边界层特点:
1.边界层的厚度δ与物体的特征长度L相比是非常小 的,δ<<L,δ/L≈0,即边界层极薄。 2.边界层的厚度在平板上沿流动方向增加。因为随 着平板长度的增加,流速减小,为了满足连续条件, 边界层的厚度增大。 3.边界层中也存在着层流区、过渡区和紊流区。在 边界层的前部,由于边界层厚度δ较小,因此流速 梯度dux/duy很大,粘滞力τ=μdux/duy的作用力也就 很大,这时边界层的流动属于层流。 Rex=u0x/υ Re δ =uo δ /υ
猫眼现象
不良流线型体的绕流、卡门涡
流体绕流流线型物体时,一般不会发生边界层分离,但 是粘性流体绕流不良流线型物体时,都将产生边界层分离的 绕流脱体现象。当流体绕流圆柱体时,随着雷诺数的增大边 界层首先出现分离,分离点并不断的前移,当雷诺数大到一 定程度时,会形成两列几乎稳定的、非对称性的、交替脱落 的、旋转方向相反的旋涡,并随主流向下游运动,这就是卡 门涡街