边界层分离介绍

第五章 边界层理论

1 Transport Phenomena, Xu Jian, 2009 第五章边界层理论 边界层概念 边界层方程 边界层分离 2 Transport Phenomena, Xu Jian, 2009 5.1 边界层概念 在上述层流动量传递的若干实例的分析中，(1)形状简单；(2)引入了假设：管道无限长、忽略进口段影响。实际问题要复杂得多。 边界层理论，粘滞力对动量传递影响的一般理论，是粘性流体力学的基础，也与热量传递过程和质量传递过程有着密切的关系。 3 Transport Phenomena, Xu Jian, 2009 5.1 边界层概念 Prandtl(1904)提出边界层概念，把统一的流场，划分成两个区域，边界层和外流区；其流体流动（沿流动方向和沿与流动方向垂直的方向）有不同的特点。 边界层：流体速度分布明显受到固体壁面影响的区域。 边界层的形成： ?壁面处流体的“不滑脱”no-slip ?流体的“内摩擦”作用 边界层厚度δ?U ＝0?0.99 U 0 4 Transport Phenomena, Xu Jian, 2009 5 Transport Phenomena, Xu Jian, 2009 5.1 边界层概念 流过一物体壁面的流体分成两部分 ?边界层，粘性流体，不能忽略粘滞力?外流区，理想流体，可以忽略粘滞力 6 Transport Phenomena, Xu Jian, 2009 边界层理论的要点 边界层厚度δ的变化 ?前缘处，δ＝0 ?x ↑, δ↑；沿壁面的法向将有更多的流体被阻滞?δ<

边界层分离

C4.6 压强梯度的影响：边界层分离 边界层分离又称为流动分离，是指原来紧贴壁面流动的边界层脱离壁面的现象。边界层脱离壁面后的空间通常由后部的倒流流体来填充，形成涡旋，因此发生边界层分离的部位一般有涡旋形成。当流体绕曲壁流动时最容易发生这种现象，图C4.6.1为典型的例子，在圆柱后部发生的流动分离形成一对涡旋，称为猫眼。下面以具有顺压和逆压梯度的曲壁边界层流动为例说明边界层分离的原因和特点。 (图C4.6.1) 1．分离的物理原因

正如C4.3所述，外流的压强可透过边界层，直接作用到壁面上。在顺压梯度区（图C4.6.2中BC段）壁面附近的流体元将受到压力的推动前进；在零压强梯度区(C点)流体微团靠自身的动能克服粘性阻力前进;在逆压梯度区(CE段)流体元受到逆压和粘性力双重阻力逐渐减速，至S点时动能耗尽，速度为零。在后部(SE段)倒流的流体挤压下，脱离壁面流向内部。S点称为分离点，SE称为脱体区。 （用氢气泡技术演示圆柱绕流分离点和分离区） 2．速度廓线特点 普朗特边界层方程(C4.3.2)式为 (C4.3.2) 在壁面上u = 0, v = 0, 由上式可得 (C4.6.1)

上式表明在壁面上速度廓线的二阶导数与方向的压强梯度符号相同。如图 C4.6.2所示，在顺压梯度区BC段< 0，由函数微分性质知速度廓线外凸；在 压强极小值点C处，= 0，C点为拐点；在逆压梯度区CE段，>0，速 度廓线内凹，且沿流动方向曲率逐渐增大，拐点上升，至S点，= 0，速度廓线与y轴方向相切；过S点后速度廓线继续内凹，速度变为负值，出现倒流。SS’线称为间断面，SS’线后为分离区（图C4.6.2）。 (图 C4.6.2)

边界层分离综述

边界层分离综述 西安交通大学化工31班 陈光2131502008 摘要：当流体流过物体时，由于流体本身黏性作用，会在物体表面形成边界层。而在某些情况下，如物体表面曲率较大时，常常会出现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。本文就边界层分离机理、边界层分离发生条件、边界层分离的控制及边界层分离应用等方面对其作出系统介绍。 关键词：边界层分离；发生机理；控制；卡门涡街 引言 当流体流经曲面物体或化工流体输送过程中流体流经管件、阀门、管路突然扩大或突然缩小以及管路的进出口等局部地方，都会出现边界层的分离现象。边界层分离理论在化工流体输送和流体力学的研究应用方面具有重要的意义。 1.边界层分离发生的机理 1)边界层分离概述 边界层是一个薄层，它紧靠物面，沿壁面法线方向存在着很大的速度梯度和旋度的流动区域。粘性应力对边界层的流体来说是阻力，所以随着流体沿物面向后流动，边界层内流体流速会减小，压力增加。由于流体流动的连续性，边界层会变厚，以在同一时间内流过更多的低速流体。因此边界层内存在着逆压梯度，流动在逆压梯度作用下，会进一步减速，最后整个边界层内的流体的动能都不足以长久的维持流动一直向下游进行，以致在物体表面某处其速度会与势流的速度方向相反，即产生逆流。该逆流会把边界层向势流中排挤，造成边界层突然变厚或分离。边界层分离之后，它将从紧靠物面的地方抬起进入主流，与主流发生参混，结果是整个参混区域的压力趋于一致。 2)模型分析 现以黏性流体绕过一无限长圆柱体的流动为例，从边界层的形成和变化过程来说明曲面边界层的分离现象。如图a所示：

边界层理论及边界层分离现象

边界层理论及边界层分离现象 一．边界层理论 1. 问题的提出 在流体力学中，雷诺数RP惯性力/粘性力，当Re<1时，惯性力<<粘性力，可以略去惯性力项，用N-S方程解决一些实际问题（如沉降、润滑、渗流等），并可以获得比较满意的结果。但对于工程流动问题，绝大多数的Re很大。这时就不可以完全略去粘性力，略去粘性力的结果与实际情况相差很大。突出的一例即“达朗倍尔佯谬——在流体中作等速运动的物体不受阻力。” 究竟应当怎样才能正确地处理大Re数的流动呢？这个矛盾一直到1904 年，德国流体力学家普朗特提出了著名的边界层理论，即大Re数的流动中，大 部分区域的惯性力>>粘性力，但在紧靠固壁的极薄流层中，惯性力琲占性力，这才令人满意地解决了大Re数的流动的阻力问题。 2. 边界层的划分 I流动边界层（速度边界层） 以平板流动为例，x方向一维稳态流动，在垂直壁面的y方向上，流动可划分为性质不同的两个区域：（1）y&层外主流层）：壁面影响很弱，法向速度基本不变，du/dy?0所以可忽略粘性力（即忽略法向动量传递）。可按理想流体处理，Euler方程适用。这两个区域在边界层的 外缘衔接起来，由于层内的流动趋近于外流是渐进的，不是突变的，因此，通常约定：在流动边界层的外缘处（即y= 3处），ux= 0.99u T 3为流动边界层厚度，且 3= &x）。 II传热边界层（温度边界层） 当流体流经与其温度不相等的固体壁面时，在壁面上形成流动边界层，同时，还会由于传热而形成温度分布，可分成两个区域：（1）y< 8t （传热边界层）：受壁面影响，法向温度梯度dt/dy 很大，不可忽略，即不能忽略法向热传导。（2）

边界层分离论文

浅谈对边界层分离的理解 酱油潘 西安交通大学能动学院 摘要：本文中我们将就边界层分离机理、边界层分离机理、边界层分离条件以及如何控制边界层分离等四个方面对边界层分离现象做一个系统的说明；前提是在笔者所理解的范围内。 关键词：边界层分离控制 关于边界层分离现象，郭永怀先生在其讲义中曾这样生动描述：“我们知道在减速区域内，流体的动能不断地在消耗，而且还要再压力的反作用下向下游流动。一般地说，在减速区域内，压力梯度在下游方向不断增加；在动能消耗到一定程度，表面的一层流体就不能再克服压力的作用继续流动。这就像在重力作用下的摆锤一样，在到达一个高度后，它的的瞬时速度就等于零。当那一层薄薄的流体一旦停止向前运动，由于连续性的要求，下游的流体便必须倒流过来，就像一个楔子似地把边界层与固体分开。”[1] 当然，这只是从易于理解的角度上所作的大致说明，下面我们将就边界层分离机理、边界层分离机理、边界层分离条件以及如何控制边界层分离等四个方面对边界层分离现象做一个系统的说明；前提是在笔者所理解的范围内。 一、边界层分离现象 首先我们先谈谈什么是边界层分离现象。 当一个粘性流体流过曲面物体例如圆柱体时，在物体表面附近也

形成边界层。但在某些情况下如物体表面曲率较大时，常常会出现边界层与固体壁面想脱离的现象。此时，壁面附近的流体将发生倒流并产生漩涡，导致流体能量的大量损失。这种现象称为边界层分离。[2]二、边界层分离机理 如下图所示 当理想流体绕过圆柱体时，由于没有粘性，在柱体表面处滑脱。根据伯努利方程，在流场的任一点处，流速愈小，流体压力越大。当流体到达图中A点时，流速为零，流体的压力p最大。由于理想流体是不可压缩的，因此，后继的流体质点在A点处流体高压力的作用下，将部分压力能转变为动能，并被迫改变原来的运动方向，绕过圆柱体向下游游去；由于柱体前后的流动完全对称，故压力在柱体前后的作用也完全对称，其结果是流体对柱体并未施加任何曳力。 因此，对于理想流体来说，是不可能发生边界层分离现象的。 对于粘性流体，在上述能量的转化过程中，由于粘性的作用，边界层内的流体质点将要克服粘性力作功而消耗机械能。因此微团在逆压区，不可能到达C点，而是在BC段中的某点处微团速度降为零，

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边界层分离 (xxx) 摘要：本文中我们将就边界层分离的现象、边界层分离发生的机理、边界层分离发生的必要条件以及如何控制边界层分离等方面对边界层分离现象做一个较为系统的描述。关于边界层分离现象，郭永怀先生曾经在其讲义中这样生动描述到：“我们知道在减速区域内，流体的动能不断地在消耗，而且还要再压力的反作用下向下游流动。一般地说，在减速区域内，压力梯度在下游方向不断增加；在动能消耗到一定程度，表面的一层流体就不能再克服压力的作用继续流动。这就像在重力作用下的摆锤一样，在到达一个高度后，它的的瞬时速度就等于零。当那一层薄薄的流体一旦停止向前运动，由于连续性的要求，下游的流体便必须倒流过来，就像一个楔子似地把边界层与固体分开。”[1]当然，这只是从易于理解的角度上所作的大致说明，下面我们将就边界层分离机理、边界层分离机理、边界层分离条件以及如何控制边界层分离等四个方面对边界层分离现象做一个系统的说明；前提是在笔者所理解的范围内。 关键词：边界层；分离；现象；控制 A summary of boundary layer separation xxx Abstract:About the boundary layer separation phenomenon, Mr. Guo Y onghuai once in his lecture so vivid description: "We know that in the deceleration zone, the kinetic energy of the fluid constantly in consumption, but also the reaction under pressure then flows downstream. Generally, in the deceleration region, the pressure gradient increasing in the downstream direction; the kinetic energy consumption to a certain extent, the surface layer of the fluid can no longer continue to flow to overcome the effect of the pressure, which is like a pendulum under the action of gravity, as in reaching a height, its instantaneous speed is zero. when that a thin layer of fluid once the stop forward motion, as the requirements for continuity, downstream of the fluid it must come back, like a wedge Side of the boundary layer and the solid apart. "[1]Of course, this is only understandable from the perspective of the general explanation made the following, we will boundary layer separation mechanism, boundary layer separation mechanism, the boundary layer separation conditions and how to control the boundary layer separation and other four aspects of a boundary layer separation phenomena Description of the system; premise is understood by the author within the range. Keywords:Boundary layer; separation; phenomenon; control 引言 在雷诺数较大的情况下不可压缩黏性流体纵向流过平板时，在边界层外边界上沿平板方向的速度是相同的，且整个流场和边界层内压强保持不变。当大雷诺数流动的流体流经曲面物体时，边界层外边界上沿曲面方向的速度是变化的，层内的压强也将同时发生改变，从而对边界层内的流动发生影响。在边界层中，由于物体边界的阻碍作用，流体微元的流速较势流流速减小，边界层的厚度顺流增加，这些减速了的流体微元不总是在层中流动，在外势流流速的影响下层内流体微元发生反向回流，这样就迫使边界层内的流体向外边界层流动。边界层流体脱离壁面，同时出现回流和漩涡现象，即边界层分离。

边界层理论

边界层理论探讨 化工32 刘沛 2131502039 摘要：边界层学说是有普朗特与1904年提出的，是研究流体流动重要的理论基础，广泛地被运用于各种化工过程中。其中存在着边界层分离等现象，又有着层流与湍流的区分，对我们更重要的是如何将其掌握区分且应用。 关键词：边界层分离黏性雷诺数速度梯度 引言：本文从4大问题出发探讨边界层有关问题，总结自己对边界层理论相关理解。同时加强对其应用的了解。 正文： 1.边界层定义及特点 当实际流体沿固体壁面流动时，壁面附近区域存在着一层薄薄的“边界层”，它的形成与壁面黏性力有关——由于实际流体的黏性，当它流经固体壁面时，与固体壁面相接触的部分产生黏附而不脱落，表现为速度为零；逐渐远离壁面，流体的速度急剧增加，在边界层内产生一个比较大的速度梯度，而在边界层外认为速度几乎不变。我们定义Re为惯性力与黏性力之比，显然处于边界层内的流体，惯性力与黏性力数量级相差不大，黏性力的作用较为明显，速度梯度较大；而在边界层外即主体流动区域，惯性力远大于黏性力的作用，表现为速度梯度几乎为零。 2.边界层分类 理论结合实验，我们将Re=2000作为分别层流与湍流两种流动，他们都存在着边界层。[1]随着流体沿平板的向前流动，边界层在壁面上逐渐加厚，在平板前部一段距离内，边界层的厚度较小，流体维持层流流动，相应的边界层称为层流边界层。流体沿壁面的流动经过这一段距离后，边界层中的流动形态由层流经一过渡区逐渐转变为湍流，此时的边界层称为湍流边界层。在湍流边界层中，壁面附近仍存在着一个极薄

的流体层，维持层流流动，这一薄层流体称为层流内层或层流底层。在层流内层与湍流边界层之间，流体的流动既非层流又非完全湍流，称为缓冲层或过渡层 3.边界层分离及形成的原因 随着流体逐渐向前流动，由于速度低的流体部分对速度高的流体有剪应力的存在，使得其流速下降，更多流体被“脱入”边界层，或者说边界层厚度逐渐增加。[2]随着流体动能不断地消耗，而且在压力的反作用下向下游流动，一般来说，在减速区域内，压力梯度在下游方向不断增加；在动能消耗道一定程度时，表面的一层流体就不能再克服压力的作用继续流动，就像在重力作用下的摆锤一样，在到达一个高度后，它的瞬时速度就等于零。当那一层薄薄的流体一旦停止向运动，由于连续性的要求，下游的流体必须倒流过来，就像一个锲子似的把边界层与壁面分开。这也就是我们说的边界层分离。由此可见产生边界层分离的必要条件有两个：一是物面附近的流动区域中存在逆压梯度；二是流体的粘性，二者缺一不可。如果仅有流体的粘性而无逆压梯度，则流体不会倒流回来，如流体沿平壁面上的流动即属于此；反之，如果仅存在逆压梯度而无粘性力作用，也不会产生边界层分离。 而由于理想流体无黏性，便不会产生边界层的分离。 4.边界层的分离应用及其控制 机翼边界层流动状态(层流、湍流)的变化会导致机翼摩擦阻力差异。不同雷诺数会导致不同的边界层流动特性和不同的转捩和分离特性。雷诺数对边界层的最直接影响是边界层厚度的发展, 包括位移厚度、动量厚度等直接与边界层内速度分布有关的量。雷诺数的间接影响是边界层位移厚度改变了机翼等效几何形状, 从而使机翼表面压力分布、激波位置和强度发生改变, 进而影响机翼总体气动特性。高空无人机飞行高度一般大于10 公里, 飞行雷诺数低于300 万, 因此黏性对机翼气动力影响将更大, 在设计和分析过程中必须重视。边界层分离如果发生在机翼上将产生很严重的后果，那就是失速。