光滑平板流边界层最大厚度

3.5毫米。当空气流的雷诺数为Rex=10时,在距前缘1米处,平板上层流边界层的厚度最大为3.5毫米 。边界层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LudwigPrandtl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 。

边界层内从物面 (当地速度为零)开始 ,沿法线方向至速度与当地自由流速度U 相等(严格地说是等于0.990或0.995U)的位置之间的距离,记为 δ 。

边界层厚度与流动的雷诺数、自由流的状态 、物面粗糙度、物面形状和延展范围都有关系。由绕流物体头部(前缘)起,边界层厚度从零开始沿流动方向逐渐增厚 。当空气流的雷诺数为Rex=10时 ,在距前缘1米处,平板上层流边界层的厚度为3.5毫米。在平滑平扳上,层流边界层的厚度

(Rex=Ux/v ,这里v为流体运动粘性系数);写成等式时的常数值随所选取边界层厚度处的速度百分比(如选0.90,0.99或0.995)而异,一般为3.46到5.64。平滑平板上湍流边界层的厚度

光滑平板流边界层最大厚度

其比例常数约为0.37 。可以看出 ,由于测定边界层厚度有任意性 ,用它来计算摩擦阻力太粗糙,因而在实际应用中,又定义出其他的厚度。例如在低速时用位移厚度δ1(或δ*)、动量(损失)厚度δ2(或θ) ,此外还有一个无量纲厚度比叫形状因子。 位移厚度的涵义是,边界层内的流体受到阻滞,因而通过的流量减小 ,相当于理想绕流中外流从物面上向外推移了一个距离,绕流物体的形状变成原几何形状再加位移厚度 。

由于流体粘性阻滞而形成的边界层把层外主流从壁面向外推移的距离(图2),可按定义由下式求出:

平行流流过平板时 ,层流边界层的δ1≈δ/3,湍流边界层的δ1≈δ/8 。 因粘性阻滞,在边界层内所损失的动量 ,相当于按层外主流速度U计算时,这个动量所占的厚度,即

平行流流过平板时 ,层流边界层的δ2=0.13δ ,湍流边界层的δ2=7δ/72=0.097δ,故δ1>δ2。 由于y与边界层厚度δ<<x(物面方向长度)是同一量级,同时又δ∝ ,普朗特于1904年从纳维—斯托克斯方程出发把方程中各项的数量级写出并互相比较,最后将量级为δ2以上的项略去,得到边界层方程。例如 ,二维不可压缩流的层流边界层方程组可写为:

光滑平板流边界层最大厚度

边界条件 y=0,u=v=0,y=∞,u=U(x,t),式中u 、v为x、y方向的速度分量;p为压力;ρ为流体密度 。原来y方向的动量方程简化成  ,它表示在边界层内沿垂直于壁面方向的压力保持常值,即壁面上某点的压力p等于无粘性外流在此点计算出的p值,因此在边界层流动计算中 ,p被认为是已知的物理量。

如果物面是曲面,可以选取曲面坐标系,沿物面方向为x ,垂直于物面方向为y。同样得出 在y方向的增长也是δ的量级 ,可以忽略 。

关于湍流边界层方程,由于流动随时间、空间而变更,情况非常复杂 ,因而尚未通过实验弄清湍流的物理机理,得出公认的模型。所以多年来,人们针对不同情况提出了各种半经验理论和假设求平均流解。

在湍流边界的一般情形中 ,流体微团的瞬时速度可表为平均速度与脉动速度之和(如x方向等) 。由于脉动速度间的动量交换而引起的湍流边界层中的附加湍流应力(也叫雷诺应力)是:

光滑平板流边界层最大厚度

它是一个张量。在二维情形中,雷诺应力τt可写成(见湍流理论):

式中ετ称为涡粘性系数,上面的横线表示平均值。二维不可压缩湍流边界层的微分方程组为: 此为T.von卡门于1921年所提出 ,又称卡门积分关系式,是工程上常用的近似法,对常 、二维不可压缩层流和湍流(采用平均速度分量)边界层都能用 。这个方程是在边界层内取一个控制微元 ,用动量定理使在x方向的总动量增加率等于单位时间内流出动量与流进动量之差得出的。因为求动量是从壁面y=o到y=δ求积计算的,所以得出的是平均值,即是近似法。此积分关系式为:

式中τ0为物面上的剪应力 ,用位移厚度δ1和动量厚度δ2代入 ,可写成:

式中

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