不可压缩流体二维边界层Y.ppt
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1、第九章 不可压缩流体二维边界层,一、边界层的基本概念,二、边界层的动量积分方程,三、曲面边界层分离现象卡门涡街,四、流阻力和阻力系数,在本世纪初之前,流体力学的研究分为两个分支:一是研究流体运动时不考虑黏性,运用数学工具分析流体的运动规律。另一个是不用数学理论而完全建立在实验基础上对流体运动进行研究,解决了技术发展中许多重要问题,但其结果常受实验条件限制。这两个分支的研究方法完全不同,这种理论和实验分离的现象持续了150多年,直到九十年代初普朗特提出了边界层理论为止。边界层理论使理想流体的理论研究和黏性流体的实验研究融合在一起,由于边界层理论具有广泛的理论和实用意义,因此得到了迅速发展,成为黏
2、性流体动力学的一个重要领域。本章介绍边界层的基本概念及研究方法。,一、边界层的基本概念,1904年,在德国举行的第三届国际数学家学会上,德国著名的力学家普朗特第一次提出了边界层的概念。他认为对于水和空气等黏度很小的流体,在大雷诺数下绕物体流动时,黏性对流动的影响仅限于紧贴物体壁面的薄层中,而在这一薄层外黏性影响很小,完全可以忽略不计,这一薄层称为边界层。普朗特的这一理论,在流体力学的发展史上有划时代的意义。普朗特边界层理论开辟了用理想流体理论和黏性流体理论联合研究的一条新途径。,实际流体流经物体时,固体边界上的流体质点必然黏附在固体表面边界上,与边界没有相对运动;无论流动的雷诺数有多大,固体边
3、界上的流体质点的速度必为零,称为无滑移(动)条件。由于实际流体在固体边界上的流速等于零,所以在固体边界的外法线方向上的流速从零迅速增大,在边界附近的区域存在着相当大的流速梯度。在边界附近的区域内粘性就不能忽略,这个附近的区域就称为边界层。,1、边界层的基本概念,(1)边界层,图示为大雷诺数下黏性流体绕流翼型的二维流动,根据普朗特边界层理论,把大雷诺数下均匀绕流物体表面的流场划分为三个区域,即边界层、外部势流和尾涡区。,在边界层和尾涡区内:黏性力作用显著,黏性力和惯性力有相同的数量 级,属于黏性流体的有旋流动区;在边界层和尾涡区外:流体的运动速度几乎相同,速度梯度很小,边界 理想流体势流区:层外
4、部的流动不受固体壁面的影响,即使黏度较 大的流体,黏性力也很小,主要是惯性力。所以 可将这个区域看作是理想流体势流区,可以利用 前面介绍的势流理论和理想流体伯努利方程来研 究流场的速度分布。,边界层的厚度:实际上边界层内、外区域并没有明显的分界面,一般将壁面流速为零与流速达到来流速度的99 处之间的距离定义为边界层厚度。,在来流越接近于物体的前端O处,流速越小,压强越大,在贴近物体的前端O时流速减为零,压强增加到最大,流速为零,压强为最大的点称为驻点或停滞点,在这一点上边界层厚度也为零。流体质点到达停滞点后,便停滞不前。由于液体不可压缩,继续流来的液体质点,在比物体两侧压强大的停滞点压强作用下
5、,只好将压能部分转化为动能,改变原来的运动方向,沿着物体两侧继续向前流动。,沿着物体两侧流动的流体,由于边界层中流体质点受到摩擦阻力的作用,沿着流体流动方向物体的阻滞作用向流体内部扩展,边界层的厚度逐渐增加,因此边界层的厚度是x的函数。,根据实验结果可知,边界层内也存在着层流和紊流两种流动状态。层流边界层:若全部边界层内部都是层流,称为层流边界层。紊流边界层:若边界层内部是紊流,在紊流边界层内紧靠壁面处也 有一层极薄的层流底层。混合边界层:层流变为紊流之间的过渡区。若在边界层起始部分内 是层流,而后曲线开始抖动,最后变为紊流,称为混合边界层。,(2)边界层的两种流动状态,当雷诺数达到一定的数值
6、时,边界层内流动经过一过渡段后转变为紊流,成为紊流边界层。由层流边界层转变为紊流边界层的点xc称为转折点,其雷诺数为临界雷诺数。,判别边界层的层流和紊流的准则数仍为雷诺数,但雷诺数中的特征尺寸用离前缘点的距离x表示之,特征速度取边界层外边界上的速度,(3)判别边界层为层流和紊流的准则数雷诺数,对于平板的边界层,层流转变为紊流的临界雷诺数为:,影响临界雷诺数的主要因素:(1)边界层外流体的压强分布;(2)固体边界的壁面的粗糙度;(3)边界层外来流的紊流强度等因素有关。目前确定临界雷诺数的数值主要依靠实验。增加壁面粗糙度或层外流体的紊流度都会降低临界雷诺数的 数值,使层流边界层提前转变为紊流边界层
7、。,2、边界层的基本特征,(1)与物体的特征长度相比,边界层的厚度很小,(2)边界层厚度沿流体流动方向是增加的。由于边界层内流体质点受到黏性力的作用,流动速度降低,所以要达到外部势流速度,边界层厚度必然逐渐增加。,(3)边界层内沿厚度方向,存在很大的速度梯度。从边璧上的零变到外壁上的(4)在边界层内,黏性力与惯性力同一数量级。(5)边界层内的流态,也有层流和紊流两种流态。,二、边界层的动量积分方程,边界层内的流体是黏性流体的运动,理论上可以用粘性流体的运动微分方程纳维斯托克斯方程(NS方程)来研究其运动规律。但由此得到的边界层微分方程中,非线性项仍存在,因此即使对于外形很简单的绕流物体求解也是
8、很复杂的,目前只能对平板、楔形体绕流层流边界层进行理论计算求得其解析解。但工程上遇到的很多问题,如任意翼型的绕流问题和紊流边界层,一般来说求解比较困难,为此人们常采用近似解法,其中应用的较为广泛的是边界层动量积分方程解法。,下面用动量方程来推导边界层动量积分方程 设二维定常匀速流动绕经一固体,如图所示。沿固体边界取x轴,沿固体表面的法线取y轴,在大雷诺数情况下,固体边界附近就会产生一层很薄的边界层,在边界层的任一处,取单位宽度、沿边界层长度为dx的微元段作为控制体,控制体的控制面由边界层的过流断面AB与CD以及内边界AD和外边界BC组成。,假定:(1)因为dx很小,所以AD和BC可视为直线。(
9、2)因为边界层很薄,质量力忽略不计。(3)因为边界层很薄,所以过流断面 AB与CD上的压强是均匀分布。(4)外边界BC上的压强是不均匀的。,对控制体应用动量方程:通过控制面AB、BC、CD的动量变化率等于作用 在控制面AB、BC、CD、AD上所有外力的合力。,单位时间内从控制面AB流入的动量,单位时间内从控制面CD流出的动量,单位时间内从控制面BC流入的动量,作用在控制面ABCD 上的所有表面力在x方 向的代数和。,(1)计算通过边界层控制面在x轴方向上的动量变化率 单位时间流入x处控制面AB的动量为:,从 处控制面CD流出的动量为:,从控制面BC流入的动量采用下列求法:首先计算从x 处控制面
10、AB流入的质量流量:,从 处控制面CD流出的质量流量为:,由不可压缩流体的连续性方程可知,通过CD与AB控制面质量流量的差值应等于由BC控制面流入的质量流量,于是流入BC控制面的质量流量与动量分别为:,单位时间内通过控制面在x轴方向上的动量变化率为:,从 处控制面CD流出的动量为:,单位时间流入x处控制面AB的动量为:,从控制面BC流入的动量为:,(2)计算作用在控制面上所有外力在x轴方向的合力。因忽略质量力,只有表面力。0 表示固体表面对流体作用的剪应力 壁面上粘性切应力合力为FAD 作用在控制面AD上的表面力FAD为:,作用在控制面AB、CD上的表面力分别为:,因边界层外是理想流体,所以在
11、边界层外边界上摩擦应力(粘性剪应力)为零,作用在控制面BC上的表面力只有表面压强。而表面压强可取B、C两点压强的平均值,作用在控制面上的所有表面力在x方向的代数和,并略去二阶小量,得,上式是匈牙利科学家冯卡门于1921年首先推导出来的。由于在推导过程中未加任何近似条件,从这个意义上讲,它是严格的,而且对边界层的流动性质也未加限制,因此它既可求解层流边界层,又可适用于紊流边界层。,根据动量定理,令,可得边界层动量积分方程为:,边界层动量积分式,单位时间内通过控制面在x轴方向上的动量变化率为:,根据平面势流的伯努利方程,代入到边界层动量积分式中,上述边界层的动量积分方程式可以看到,方程中含有五个未
12、知量:,可由主流区的势流方程求得。,剩下的三个知未知量。因此要求解边界层动量积分方程,原则上还需要补充两个方程。,(1)满足绕流物体壁面条件和边界层外边界条件的速度分布,(2)与速度分布有关的 与 的关系式。事实上,与 的关系可根据边界层内的速度分布求出。,剩下的三个知未知量。因此要求解边界层动量积分方程,原则上还需要补充两个方程。,通常在求解边界层动量积分方程时,总是先选取边界层内速度分布,选取的速度分布越接近实际,则所得结果越正确。但由于边界层运动的复杂性,而预先选定的速度分布只能满足主要的边界条件,不可能正好满足动量积分方程,这样求得的结果(、等)就都是近似的,故积分方程的解法只能是近似
13、的解法。但这种解法有一个很大的优点,就是只要能大致选定速度分布形式,则可以得到误差并不很大的结果,而且解法较简单,因此在工程上用得较广泛。,三、平板上的层流边界层,在工程中许多物体的绕流问题,可简化为流体绕平板的流动。所以研究板上的边界层具有一定的实际意义。,设有一块极薄的静止的光滑平板,顺流放置于二维恒定均匀流动中,平板上游首端为坐标原点,取平板表面为x轴。来流速度为U0且平行于x轴。,边界层外部:因平板极薄,边界层外部的流动不受平板及其端部 的影响,边界层外部边界上的流速u0处处相等,且 等于来流速度U0,即,在边界层外部,由于是平面有势流动(水平面内),且流速不变,所以边界层外部边界上的
14、压强也处处相等,根据伯努利方程:,对于不可压缩的均质流体:,代入边界层动量积分方程,平板边界层的动量积分方程,补充方程一:边界层内的流速分布关系式:假设平板上层流边界层内的流速分布和管流中的层流速度分布相同。,管流:,平板边界层:,建立两个补充方程:,补充方程二:平板上的剪应力与边界层厚度之间的关系式:,负号表示与x轴反向,去掉负号,取绝对值,对于层流,符合牛顿内摩擦定理,求平板上的剪应力时,令 y=0,补充方程一:,把两个补充方程代入上式,补充方程二:,积分:某一过流断面上对y进行积分,由于边界层厚度对同一 过流断面是定值,可提到积分符号外。微分:沿x轴方向是变化的,所以不能移到导数符号外。
15、,由边界条件定积分常数:当x=0 时,=0 C=0,平板层流边界层的厚度,平板上的剪应力,在平板一个壁面上由粘滞力引起的总摩擦阻力,将绕流摩擦阻力表示成单位体积来流的动能与面积的乘积,再乘以摩擦阻力系数:,摩擦阻力系数:,以板长L为特性长度的雷诺数,理论结果与实验测量结果一致,四、平板上的(紊)湍流边界层,普朗特假设:(1)沿平板边界层内的紊流运动与管内紊流运动没有显著的差别。所以可借用管内紊流运动的理论和实验去找补充方程。(2)假设从平板上游首端开始就是紊流边界层。,在工程实际中,一般只有在边界层开始形成的一个极短距离内才是层流边界层,而遇到的大多数边界层都属于紊流边界层。对于紊流边界层,要
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