边界层和绕流阻力VIP免费

边界层和绕流阻力工程流体力学边界层和绕流阻力概述前面讨论了流体在通道内的运动，本节介绍流体绕物体的运动。如风吹过建筑物、河水绕过桥墩、船舶在水中航行、飞机在大气中飞行，以及粉尘或泥砂在空气或水中沉降等都是绕流运动。在绕流中，流体作用在物体上的力可分解两个分量：一是垂直于来流方向的作用力，叫作升力；另一是平行于来流方向的作用力，叫阻力。下面主要讨论绕流阻力。由于绕流阻力与边界层有密切关系，故首先介绍边界层的概念。边界层和绕流阻力1.1边界层的概念边界层概念是德国力学家普朗特在1904年从物理角度首先提出的。它为解决黏性流体扰流问题开辟了新途径，并使流体绕流运动中一些复杂现象得到解释。边界层理论在流体力学发展史上具有划时代意义。边界层和绕流阻力1.1边界层的概念1．平板上的边界层下面以等速均匀流绕顺流置放的薄平板流动为例说明边界层的形成和特征，如图所示。边界层和绕流阻力1.1边界层的概念设来流流速U0均匀分布，方向与平板平行。当流体流经平板时，由于黏性作用，紧贴壁面的一层流体在壁面上无滑移，速度ux=0。而壁面法线方向速度很快增大到来流速度ux≈U0。由此可见，流场存在两个性质不同的流动区域：贴近壁面很薄的流层，速度梯度很大，黏性影响不能忽略，称为边界层；边界层以外，速度梯度约为零dux/dy≈0，黏性影响可以忽略，相当于无黏性流体运动。在实际工程中，这两个区域之间的界限很难区分。因此，一般把壁面沿法线方向的速度等于0.99u0处作为两区间的分界，定义为边界层的名义厚度，以δ表示。如图所示，δ是由平板前缘算起的距离x的函数，δ=δ(x)。边界层和绕流阻力1.1边界层的概念实验得出，平板边界层流态转变断面的临界雷诺数因为边界层厚度δ是距离x的函数，边界层雷诺数中的特征长度δ也可用距离x表示。以x为特征长度的临界雷诺数如扰流平板长为L，当该平板上是层流边界层；当则该平板xc以前是层流边界层，xc以后(L－xc)是湍流边界层。在湍流边界层内，紧靠壁面也有一层极薄的黏性底层。02700~8500ccURe0xUxRe560310~310cxcUxRe0xxcULReRe0xxcULReRe边界层和绕流阻力1.1边界层的概念2．管流的边界层不仅绕流中存在边界层，管流也存在边界层。如图所示。假设流体以均匀速度流入，在入口段保持速度均匀分布。随着流体流入，由于受壁面的阻滞，也产生边界层。其厚度δ随离管口距离的增加而增加。边界层和绕流阻力1.1边界层的概念随着沿程边界层厚度的发展，沿程各断面的速度分布不断变化，直到边界层厚度发展到圆管中心，即δ=r0，管中的流体全部成为边界层流动，断面速度分布不再变化。从入口至δ=r0处的长度称为入口段长度。一般来说层流入口段的长度湍流入口段的长度此外，入口段中速度分布的不断改变将引起附加水头损失，但在大多数工程计算中，这部分损失一并考虑在管路进口的局部水头损失之中，因此，仍把整个管路看成是均匀流。e0.028LRede(50~100)Ld边界层和绕流阻力1.2曲面边界及其分离现象1．曲面边界层的分离现象如图所示，当流体沿曲面壁流动时，在DE段由于流动受壁面挤压，边界层外边界层上的流速沿程增加压强沿程减小因为边界层厚度很小，可以认为边界层内法线上各点压强相等，等于边界层上的压强，所以边界层内压强沿程减小e0ux0px0px边界层和绕流阻力1.2曲面边界及其分离现象因流动受顺时压梯度作用，紧靠壁面的流体克服近壁摩擦阻力后，所余动能使其得以继续流动。当流体流过特定点后，因壁面的走向变化，使流动区域扩大，边界层外边界上的流速沿程减小，边界层内压强沿程增大。流动受逆压梯度作用，使紧靠壁面的流体要克服近壁处摩擦阻力和逆压梯度作用，流速沿程迅速减缓，在S点流速梯度为0，即，S点的下游靠近壁面的流体，在逆压梯度作用下反向回流，使主流脱离壁面，在壁面与主流间形成旋涡区，这就是曲面边界层的分离。这些特定点称为边界层的分离点。0()0yuye0ux0px边界层和绕流阻力1.2曲面边界及其分离现象2．压差阻力在绕流物体边界层分离点下游形成的旋涡区通称尾流。流体绕物体流动，除了沿程摩擦阻...