绕流运动、边界层分离现象

流体力学科普流动分离现象没学流体力学的时候，我以为流体绕圆柱流动是左边那样的。

实际上，常见的流动是右边那样的，流线在后面会离开圆柱表面，这就是流动分离。

导读流动分离，也叫边界层分离，指的是壁面附近的流体在壁面摩擦力和逆向压差力的双重作用下越流越慢，直到停止并发生倒流或横向流动，从而使主流被排挤远离壁面的现象。

流动分离对于流动阻力和流动损失的影响巨大，所以是工程技术人员处理最多的流动现象之一。

01流动分离现象流动分离，也叫边界层分离，指的是流体在壁面摩擦力和逆向压差力的双重作用下越流越慢，直到停止甚至发生倒流，从而使主流被排挤，远离壁面的现象。

边界层一般都是很薄的，被壁面减速的流体很少，所以黏性的影响也不大。

当发生分离后，大量的流体被卷入到分离区中，产生的流动阻力和流动损失就会大大增加。

所以，流动分离可以说是最重要的流动现象，是工程设计中的主要考虑因素。

而且，流动分离问题仍然是流体力学难题，理论给出的规律并不完全符合实际情况，还需要依赖于实验和计算机模拟。

可以说，流体力学工程师们的日常主要工作就是处理和流动分离相关的问题。

02流动分离的原因流动分离只发生在壁面附近的减速流动中。

主流中的流体减速是由压差力造成的，边界层内的流体则还受到黏性力的作用。

由于越靠近壁面剪切变形越大，所以边界层内流体微团的下表面黏性力要大于上表面，黏性力的合力与流动方向相反。

因此，边界层内的流体比主流减速程度大。

主流减速到某种程度时，边界层内的流体已经减速到零。

此时黏性阻力消失了，但压差阻力还在，已经静止的流体还受到反向作用力，就会在下游发生倒流，于是就发生了分离。

在匀速或者加速流动中是不会发生分离的。

因为虽然壁面黏性力会使流体减速，但这是一种摩擦力。

摩擦力最多能使运动的物体停下来，而不可能使物体反向运动。

单纯的黏性力永远都不会使流动停下来，因为流速越低黏性力也越小，当没有压差力参与时，边界层内的流速只会在远下游无限趋近于零。

1、边界层分离现象边界层中的流体质点受惯性力、粘性力和压力的作用。

其中，粘性力的作用始终是阻滞流体质点运动，使流体质点减速，失去动能；压力的作用取决于绕流物体的形状和流道形状，顺压梯度有助于流体加速前进，而逆压梯度阻碍流体运动。

以圆柱绕流为例说明边界层的分离现象。

对于理想流体，流体微团绕过圆柱时，在OM段为加速减压区，压能转化为动能。

在MF段为减速增压区，动能减小压能增加。

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F点，而是在MF段中的某点处微团速度降为零，以后来的质点将改道进入主流中，使来流边界层与壁面分离。

在分离点下游的区域，受逆压梯度的作用而发生倒流。

分离点定义为紧邻壁面顺流区与倒流区的分界点。

在分离点附近和分离区，由于边界层厚度大大增加，边界层假设不在成立。

边界层分离的必要条件是：逆压梯度和物面粘性的阻滞作用结果。

仅有粘性的阻滞作用而无逆压梯度，不会发生边界层的分离，因为无反推力使边界层流体进入到外流区。

这说明，顺压梯度的流动不可能发生边界层分离。

只有逆压梯度而无粘性的阻滞作用，同样也不会发生分离现象，因为无阻滞作用，运动流体不可能消耗动能而滞止下来。

气流绕翼型的流动与边界层分离现象如下图：需要指出的是：逆压梯度和壁面粘性阻滞作用是边界层分离的必要条件，但不是充分的，也就是说只有在一定的逆压梯度下，才有可能发生分离。

2、在不同压力梯度区边界层的速度分布特征根据边界层动量方程，在壁面上：压力梯度对边界层内流动速度分布产生一定的影响。

对于顺压梯度的情况，有：对于逆压梯度的情况，有：对于零压梯度的情况，有：由此可见，随着压力梯度的变号，边界层速度分布的曲率将改变符号。

对于顺压梯度区，压力沿程减小，速度沿程增加。

在壁面处：另一方面，在边界层的外边界上，有：由此说明，在顺压梯度区，边界层内的速度沿y方向是单调增加的，分布曲线无拐点，是一条向外凸的光滑曲线，流动是稳定的。

边界层及绕流由于流体粘滞性的存在，紧靠平板的一层流体质点将附着于平板表面上，与平板表面无U，相对运动，流速为0，而在距平板法线方向一定距离处流速仍为未受扰动的原有流速因此从平板表面到未扰动的流体之间存在着一个流速分布不均匀的区域，这个区域就是水流受平板影响的范围叫边界层。

边界层厚度常用符号δ表示。

边界层的厚度是沿平板而变化的。

因为粘滞流体流经平板时有内摩擦阻力发生，克服阻力必耗损一部分能量，以致平板附近部分水流的流速变缓，流经平板距离越长，耗损能量越多，水流受平板影响范围也越大，所以边界层的厚度总是沿板端的距离x而增加的。

边界层内的流体形态可能是层流，也可能是紊流。

在板端附近边界层极薄，流速自0U，因此流速剃度极大，以致产生很大的内摩擦阻力，所以板端附近边界层内的迅速增至流体往往是层流。

沿板端距离越远，边界层厚度越厚。

流速剃度随边界层厚度增加而变小，内摩擦阻力也相应减小，边界层内的流体可自层流逐渐过渡到紊流。

但在紊流边界层中靠近固体表面仍有一层极薄的粘性存在，如图所示若雷诺数用下列形式表示：0Re x U xγ=则距板端距离越远，雷诺数也越大。

当雷诺数达到某一临界值时，流体即自层流转变为紊流。

据实验结果临界雷诺数约在5*510～610之间，如流体非常平静，最高的临界雷诺数也可超过610。

根据边界层的概念，可把粘滞流体分成两个区域：在边界层外，流速剃度为0，无内摩擦力发生，因而也可视为理想流体的流动，符合势流的运动规律；在边界层以内，流速自0增至0U ，流速剃度很大，内摩擦力十分显著。

因此，分析边界层内的运动规律时，必须以粘滞流体所服从的定律（纳为－斯托克斯方程式）为依据。

边界层的分离现象及绕流阻力流体压强在驻点N 处最大，在较高压强作用下，流体由此分道向圆柱体两侧流动。

由于圆柱面的阻滞作用便形成了边界层。

边界层内的特点是流体流动时有能量损失，从N 点起向下游达到A 或B 以前，由于圆柱表面的弯曲，使流体挤压，流速沿程增加，故沿边界层的外边界上0U x ∂∂＝正值，p x∂∂＝负值，即在外边界上压强是沿程下降的，由此可知在NA 或NB 一段边界层内的流体是处于加速减压状态的，也就是说，在该段边界层内用压强下降来补偿能量损失外，尚有一部分压能转变为动能。

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Re∝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≈粘性力，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<δ（边界层）：受壁面影响，法向速度变化急剧，du/dy很大，粘性力大（与惯性同阶），不能忽略。

（2）y>δ(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＝δ处），ux＝0.99u∞，δ为流动边界层厚度，且δ＝δ(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<δt（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) y>δt（层外区域）：法向温度梯度dt/dy≈0，可忽略法向热传导。

通常约定：在传热边界层的外缘处（即y＝δt处），ts－t＝0.99(ts －t0) ≈ ts－t0，δt为温度边界层厚度，且δt＝f(x)；ts为壁面温度；t0为热边界层外（主流体）区域的温度。

探究边界层的别离现象李强〔西安交通大学化工学院化工21，陕西西安710049〕摘要：边界层别离理论化工流体输送和流体力学的研究应用方面具有非常重要的作用。

对边界层，边界层别离现象，边界层别离的机理，条件，以及如何控制边界层的别离进行一系列的介绍。

最后通过假设干实例介绍了人类如果对边界层别离的一些控制方法。

关键词：边界层；别离点；边界层别离；机理；条件；边界层别离的控制；应用0 引言当流体流经曲面物体，或者在化工输送过程中流体流经管件，阀门，管路突然扩大和缩小以及管路进出口等局部地方，都会出现边界层的别离现象。

目前对于因边界层别离的有关计算主要是依靠经验方法，理论知识比较匮乏。

1边界层别离的机理边界层的概念边界层学说是Ludwig Prandtl于1904年提出的，其理论要点为：当实际流体沿固体壁面流动时，紧贴壁面的一层流体由于粘性的作用将粘附在壁面上而不“滑脱”，即在壁面上的流速为零；而由于流动的Re数很大，流体的流速将由壁面处的零值沿着与流动相垂直的方向迅速增大，并在很短的时间内趋于一定值。

换言之,在壁面附近区域存在着一薄的流体层。

在该层流体中与流体相垂直的方向上的速度梯度很大。

这样的一层流体称为边界层。

【1】在边界层内，流体的速度从固壁处的零〔无滑移〕逐渐增加到相应的无摩擦外流原有的值。

【2】现以一黏性流体沿平板壁面的流动说明边界层的形成过程。

如下列图1所示，一流体以均匀的来流速度u0流近壁面，当他流到平板前缘时，紧贴壁面的流体将停滞不动，流速为零，从而在垂直流动的方向上建立起一个速度梯度。

与此速度梯度相应的剪应力将促使靠近壁面的一层流体的流速减慢，开始形成边界层。

由于剪应力对其外的流体持续作用，促使更多的流层速度减慢，从而使边界层的厚度增加，靠近壁面的流体的流速分布如图1所示。

由图可以看出，速度梯度大的薄层流体即构成了边界层。

随着流体沿平板的向前运动，边界层在壁面上逐渐加厚。

在平板前部的一段距离内，边界层厚度较小，流体维持层流流动，相应的边界称为层流边界层。