平板湍流边界层

流体力学中的流体中的湍流边界层流体力学是研究流体的运动规律和性质的学科，湍流边界层则是流体力学中一个重要概念。

本文将对流体力学中的湍流边界层进行详细的介绍和论述。

一、湍流边界层的定义湍流边界层是指在流体中，当流动达到一定速度时，边界层内会出现湍流现象。

边界层是指流体靠近固体边界时速度逐渐减小，同时摩擦力逐渐增大的区域。

湍流边界层的形成使得流体流动变得非常复杂，是流体力学中的一个重要研究对象。

二、湍流边界层的特征1. 非线性：湍流边界层的速度和摩擦力分布呈现出非线性分布，即速度和摩擦力随着距离的增加而发生剧烈变化。

2. 随机性：湍流边界层的湍流运动是随机的，速度和摩擦力的变化具有不可预见性。

3. 涡旋结构：湍流边界层中存在大量的涡旋结构，这些涡旋会不停地生成、移动和消失，对流体的运动产生明显的影响。

三、湍流边界层的数学模型为了研究湍流边界层的运动规律，研究者提出了一系列的数学模型。

其中最著名的是雷诺平均纳维-斯托克斯（RANS）方程。

RANS方程是一组描述湍流边界层中平均速度和摩擦力变化的偏微分方程，通过求解这组方程可以得到湍流边界层的平均流动特性。

四、湍流边界层的应用湍流边界层在工程领域有着广泛的应用。

在飞机设计中，研究湍流边界层可以帮助减小气动阻力，提高飞行效率。

在水利工程中，研究湍流边界层可以帮助提高水泵效率和减少流体阻力。

在能源领域，湍流边界层的研究可以改善风力发电机的叶片设计，提高电能转化效率。

五、湍流边界层的挑战和前景湍流边界层的研究仍然面临着一些挑战。

湍流边界层的数学模型仍然不够精确，目前还没有能够完全描述湍流边界层的理论。

此外，湍流边界层的计算复杂度较高，需要大量的计算资源支持。

然而，随着计算机技术的不断进步，湍流边界层的研究将会取得更大的突破，为各个领域的工程应用提供更多的可能性。

六、结论湍流边界层是流体力学中的一个重要概念，具有非线性、随机性和涡旋结构等特征。

通过数学模型的建立和求解，可以揭示湍流边界层的运动规律。

平板边界层实验指导一．实验目的1）测量平板边界层流速剖面，加深对边界层概念的认识；了解层流和湍流边界层的差异。

2）掌握热线风速仪和皮托管测速技术。

二．实验原理U 大Re 数绕平板流动，在平板边界附近有一个薄层，流速从平板处的零值，经过该层迅速增大到接近来流速度U ，此薄层被称为边界层。

通常定义0.99u =处到平板的距离为边界层厚度。

在平板的前段，边界层内流动呈层流状态，即层流边界层。

建立直角坐标系如图1，原点在平板前端，x 轴沿来流方向，轴垂直平板。

定义局地雷诺数y Re x Uxν=，ν为流体的运动学粘性系数。

从平板前端向后，在某个x 位置以后，Re x 足够大，边界层内流动变得不稳定；继续向后，当Re x 超过临界值Re xc 后，边界层内流动发展为湍流。

Re xc 被称为转捩雷诺数，其大小受多种因素影响，包括来流湍流度、平板粗糙度和其他扰动等。

对光滑平板边界层的观测研究表明，在低湍流度风洞中（湍流度低于1%），Re xc 可达；对于较大的来流湍流度，Re 610xc 也可以低至几千甚至几百。

在层流边界层中，粘性力与惯性力同量级。

除平板前端外（Re 100x <），层流边界层流速剖面满足Blasius 解，即()u Uf η′=，f满足200,0,1f ff f f f ηη′′′′′+=⎧⎪′===⎨⎪′=∞=⎩--------------------(1)其中η=该速度剖面如图2所示。

相应地，层流边界层厚度c δ≈从固壁向外，湍流边界层可分为粘性底层、过渡区和湍流核心区。

在粘性底层内，分子粘性应力远大于湍应力，流速呈线性分布。

在湍流核心区，情况正好相反，分子粘性可略，流速呈对数分布。

设u u u +∗=，yu y ν∗+=，其中u为脉动平均流速，u ∗=为摩擦风速，wτ为壁面上的切应力，ρ为流体密度。

在粘性底层u y +=+，-------（2-1） 在湍流核心区1ln u y κ++=C +，-------（2-2）常数和由实验确定。

在流体力学中，平板层流边界层是一个非常重要的概念，它描述了流体在平板表面附近的流动情况。

在平板层流边界层内，流体的速度分布呈现一种特定的规律，这种规律可以用数学公式来描述。

根据实验和理论分析，我们发现平板层流边界层内的速度分布呈现线性分布的特点。

也就是说，在边界层内，流体的速度随着离开平板表面的距离的增加而线性增加。

这种线性分布规律可以用公式表示为：u = u0 + βx，其中u是x位置处的速度，u0是平板表面处的速度，β是速度梯度，x是距离平板表面的距离。

这个公式非常简单，但它却准确地描述了平板层流边界层内速度分布的基本规律。

这个规律是通过大量的实验和理论分析得出的，具有很高的可信度。

通过这个公式，我们可以了解到流体的速度是如何随着离开平板表面的距离而变化的，这对于理解流体动力学的基本规律和解决实际工程问题具有重要的意义。

此外，平板层流边界层的形成还受到多种因素的影响，如流体本身的性质、平板表面的粗糙度以及流体的流动条件等。

不同的流体和流动条件下，平板层流边界层的形成机制和速度分布规律可能会有所不同。

因此，在实际应用中，我们需要根据具体情况对平板层流边界层的速度分布进行测量和计算，以便更好地理解和控制流体流动。

总之，平板层流边界层内速度分布的线性规律是一个非常重要的流体动力学概念，它对于理解流体动力学的基本规律和解决实际工程问题具有重要的意义。

通过深入研究和探索这个规律，我们可以更好地掌握流体动力学的本质，为未来的科学研究和技术创新提供更加
坚实的基础。

工程流体力学中国大学mooc课后章节答案期末考试题库2023年1.随流动雷诺数增大，管流壁面粘性底层的厚度也愈大。

参考答案:错误2.对于音速．如下说法不正确的是：参考答案:流体中的声速是状态参数的函数3.平板湍流边界层的厚度与距前缘的距离x成正比，与雷诺数Re成反比。

参考答案:错误4.边界层的外边界不是流线，流体可以通过边界层外边界流入流出边界层。

参考答案:正确5.当水流的实际雷诺数小于流态判别数时，水流为湍流。

参考答案:错误6.一输油管和输水管在当直径、长度、壁面粗糙度均相等时，则沿程水头损失必相等。

参考答案:正确7.在圆管流中，层流的断面流速分布符合：参考答案:抛物线规律8.在湍流粗糙管中：参考答案:水头损失与断面平均流速的平方成正比9.圆管流动过流断面上的切应力分布为：参考答案:管轴处是零，且与半径成正比10.既然是一个量，就必定有量纲。

参考答案:错误11.同时满足雷诺准则和弗劳德准则一般是不可能的参考答案:正确12.激波是超声速气流的基本现象之一，它是一种的过程：参考答案:压强上升，密度上升，流速下降13.在平板混合边界层中，层流边界层转捩点位置离前缘越远，摩擦阻力系数就越小。

参考答案:正确14.平板层流边界层厚度____与雷诺数Re的____成反比。

雷诺数愈大，边界层厚度越薄。

参考答案:平方根15.输水管道模型试验，长度比例尺为8，模型管道的流量应为原型管道流量的：参考答案:1/816.定常流时，流线随的形状不随时间变化，流线不一定与迹线相重合。

参考答案:错误17.用U 形水银测压计测A点压强，h1=500mm，h2=300mm，A点的压强是：【图片】参考答案:63700N/m218.在重力作用下静止液体中，等压面是水平面的条件是参考答案:同一种液体，相互连通19.在下列各组流体中，属于牛顿流体的为（）。

参考答案:水、空气、汽油20.如果原型流动中粘滞力占主要作用，则流动相似考虑雷诺相似。

青海大学综合型设计实验文献综述平板壁面上流体边界层求解的数学模型姓名：王晓明学号： 0821105128院系：化工学院化学工程系专业：化学工程与工艺班级： 081指导教师：李晓昆老师摘要：我们生活中常见的一些流体，如水、空气，它们的粘性力相对于其他形式的力，如内力、重力和压力，都是相对较小的，看起来似乎是可以被忽略的。

然而在1744年的时候，d' Alembert发现，如果我们考虑流体时把粘性完全忽略，那么理论上得到的结果和实验中的结果会相差非常大。

在1904年的第三届世界数学家大会上，Prantle.L提出了边界层的概念，也为我们解决边界层的问题提出了一种方法。

关键词：边界层形成重要性理论依据边界层发展边界层（boundary layer）是高雷诺数绕流中紧贴物面的粘性力不可忽略的流动薄层，又称流动边界层、附面层。

这个概念由近代流体力学的奠基人，德国人Ludw ig Prandtl于（普朗特）1904年首先提出。

从那时起，边界层研究就成为流体力学中的一个重要课题和领域。

在边界层内，紧贴物面的流体由于分子引力的作用，完全粘附于物面上，与物体的相对速度为零。

一、边界层的形成流体在大雷诺数下作绕流流动时，在离固体壁面较远处，粘性力比惯性力小得多，可以忽略；但在固体壁面附近的薄层中,粘性力的影响则不能忽略,沿壁面法线方向存在相当大的速度梯度，这一薄层叫做边界层。

流体的雷诺数越大，边界层越薄。

从边界层内的流动过渡到外部流动是渐变的，所以边界层的厚度δ通常定义为从物面到约等于99％的外部流动速度处的垂直距离，它随着离物体前缘的距离增加而增大。

根据雷诺数的大小，边界层内的流动有层流与湍流两种形态。

一般上游为层流边界层，下游从某处以后转变为湍流，且边界层急剧增厚。

层流和湍流之间有一过渡区。

当所绕流的物体被加热（或冷却）或高速气流掠过物体时，在邻近物面的薄层区域有很大的温度梯度，这一薄层称为热边界层。

二、边界层理论物体在雷诺数很大的流体中以较高的速度相对运动时，沿物体表面的法线方向，得到如图（1）所示的速度分布曲线。

外掠平板湍流边界层对流传热特性解析预测方法引言：外掠平板湍流边界层对流传热特性研究对于航空航天领域具有重要的意义。

对流传热特性的准确解析预测可以帮助我们更好地设计和优化外掠平板的结构，提高其传热性能。

本文将介绍几种常见的外掠平板湍流边界层对流传热特性解析预测方法。

一、湍流模型湍流模型是研究湍流边界层对流传热特性的重要工具，常见的湍流模型包括RANS（雷诺平均应力方程）、LES（大涡模拟）和DNS（直接数值模拟）等。

RANS是最常用的湍流模型，其基本假设是湍流边界层与速度/温度脉动之间存在统计相关性，适用于大多数工程问题。

LES则更加适用于高雷诺数湍流边界层的研究，可以更准确地捕捉湍流结构和湍流能量传输过程。

DNS则是最精确的湍流模型，通过数值方法直接求解湍流方程，能够提供最准确的湍流边界层对流传热特性。

二、湍流边界层模型湍流边界层模型是一种数学模型，用于描述边界层中湍流的空间和时间分布。

常见的湍流边界层模型包括Prandtl-Kármán模型和Cebeci-Smith模型等。

Prandtl-Kármán模型是最古老的湍流边界层模型，它假设边界层中的湍流速度分布服从对数规律，适用于平板流动的湍流边界层研究。

Cebeci-Smith模型是基于湍流边界层的涡旋结构提出的模型，适用于三维流动的湍流边界层研究。

三、流动数值模拟方法流动数值模拟方法是基于流体力学原理和数值计算技术，通过求解流动方程和湍流方程来模拟流动现象。

在外掠平板湍流边界层对流传热特性的解析预测中，常见的数值模拟方法包括有限差分方法、有限元方法和有限体积方法等。

这些方法可以通过离散化流动方程和湍流方程，将连续的流动问题转化为离散的数值问题，并通过数值计算方法求解。

四、实验方法实验方法是研究外掠平板湍流边界层对流传热特性的重要手段，可以通过实验证实和验证理论模型的准确性。

常见的湍流边界层对流传热实验方法包括热电偶法、红外热像法和激光测速法等。

倾斜平板上的湍流流动特性探究湍流是一种流体运动状态，具有复杂的流动结构和不规则的速度分布。

在工程和科学领域中，了解湍流流动的特性对于优化流体力学系统的设计和预测其行为至关重要。

本文将探究倾斜平板上的湍流流动特性，包括流动形态、涡结构和湍流边界层厚度等方面的内容。

1. 流动形态：倾斜平板上的流动形态与水平平板上的流动形态存在一定差异。

在水平平板上，流体流经平板时沿着平板表面流动并形成较大的湍流区域。

而在倾斜平板上，由于引力的作用，流体的流向受到影响，形成沿斜面方向的湍流流动。

该流动形态中，湍流区域相对较小，流体的速度分布呈现出明显的梯度。

2. 涡结构：湍流流动过程中形成的涡结构对于流体力学系统的传输和混合起着重要作用。

倾斜平板上的湍流涡结构具有一定的特点。

研究发现，在平板表面附近形成的涡旋会随着斜度的增加而减小，同时在涡核中心形成了高速流体的聚集区域。

而在平板后侧形成的涡旋相对更大且强烈，这可以解释为倾斜平板不同位置上的湍流流动特性差异。

3. 湍流边界层厚度：倾斜平板上的湍流边界层厚度在一定程度上受到斜度的影响。

边界层厚度是指流动中速度梯度较大的区域，其厚度会随着倾斜角度的增加而减小。

因此，在倾斜平板上，湍流边界层厚度相对较薄。

这一特性对于一些流体力学系统中的流体输运和传热机制具有重要的实际意义。

结论：通过对倾斜平板上湍流流动特性的探究，我们可以得出以下结论：1. 倾斜平板上的湍流流动形态相对较小，流体速度呈现明显的梯度。

2. 倾斜平板上形成的涡结构具有一定的特点，涡核中心聚集了高速流体，而后侧的涡旋相对更大且强烈。

3. 倾斜平板上的湍流边界层厚度随着斜度的增加而减小，边界层相对较薄。

这些结果对于优化流体力学系统的设计以及预测系统行为具有重要意义。

在实际应用中，需要考虑倾斜角度对于流动形态、涡结构和湍流边界层厚度的影响，以提高系统的效率和稳定性。

通过进一步的研究和实验，可以更深入地理解倾斜平板上的湍流流动特性，为相关工程和科学领域提供重要的参考和指导。

收稿日期：2002-02-06；修订日期：2002-04-18作者简介：陈广业（1976-），男，江苏张家港人，北京航空航天大学动力系硕士生.第18卷第1期2003年2月航空动力学报Journal of Aerospace PowerVoI.18No.1!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!Feb.2003文章编号：1000-8055（2003）01-0002-06使用GAO-YONG 方程组对不可压转捩/湍流平板边界层的计算陈广业，高歌，尹幸愉（北京航空航天大学动力系，北京100083）摘要：与以往的湍流模型不同的是GAO-YONG 不可压湍流控制方程组不需要任何经验系数及壁面函数。

本文运用SIMPLE 方法OUIC 格式求解GAO-YONG 方程组，对二维零压力梯度下平板转捩/湍流边界层进行了数值模拟。

结果表明，方程不仅对于边界层流动的各项细节（如表面摩擦系数!f ，对数律，亏损律等）能作出良好的预测，成功地解决了以往一般模型不能同时计算近壁区和远壁区的难题，而且能够预报层流-湍流转捩过程。

本文还对机械能方程如何影响边界层近壁区特性进行了数值研究。

关键词：航空、航天推进系统；湍流；GAO-YONG 理性方程；二维不可压平板边界层；转捩中图分类号：O357.5文献标识码：AThe Calculation of Incompressible Wall Boundary Layer Using GAO-YONG Turbulence EguationsCHEN Guang-ye ，GAO Ge ，YIN Xing-yu（Beijing University of Aeronautics and Astronautics ，Beijing 100083，China ）Abstract ：UnIike wideIy used turbuIence modeIs ，the GAO-YONG eguations use no empiricaI coef-ficients or waII functions.In this paper ，two-dimensionaI ，stationary ，and incompressibIe transitionaI /turbu-Ient boundary Iayer with zero pressure gradient is numericaIIy simuIated with GAO-YONG turbuIence mod-eI.EmpIoying staggered grid arrangement ，an incompressibIe SIMPLE code with a second-order OUIC scheme is used.The caIcuIation successfuIIy simuIates the fIow and predicts the fundamentaI properties of the boundary Iayer such as !f ，the Iog Iaw ，and the defect Iaw ，etc ，which are cIose to the experimentaI da-ta.AII the resuIts further verify the adaptabiIity of the eguations to reaI turbuIent fIow.Key words ：aerospace propuIsion ；turbuIence ；GAO-YONG rationaI modeI ；incompressibIe waII boundary Iayer ；transition1前言流体力学中的湍流问题是一个重要而又古老的问题，一直是流体力学中心问题之一，也被认为是经典物理中留下的最大难题。