边界层及其分离
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
★ 流体的剪切变形是指流体质点之间出现相对运动。因此流 体的粘性是指抵抗流体质点之间的相对运动能力。 ★ 在静止状态下，流体不能承受剪力。但是在运动状态下， 流体可以承受剪力，而且对于不同种流体所承受剪力大小
是不同的。
2018/8/18
5.1 流体的粘性及其对流动的影响
一般流层速度分布不是直线，如图所示。
2018/8/18
流体的粘性及其对流动的影响
（2）圆柱绕流
理想流体绕过圆柱时的流动特点：
★ 在流体质点绕过圆柱的过程中，只有动能、压能的相 互转换，而无机械能的损失。在圆柱面上压强分布对 称，无阻力存在。（达朗贝尔疑题）
2018/8/18
流体的粘性及其对流动的影响
粘性流体绕过圆柱时的流动特点：
★ 物面近区由于粘性将产生边界层，
③ V↑，水线破裂、完全掺混
④ V↓，恢复
2018/8/18
层流与湍流
① 流态从层流到湍流的过渡称为转捩。
② 实验表明流态的转捩不是单单取决于某一个流动参数V ,μ等，
而是取决于无量纲的相似组合参数雷诺数，记为Re。 ③ 在非管道流动中也存在层流与湍流这两种不同的流态，从层流
到湍流的转捩也与雷诺数大小有关。
2018/8/18
流体的粘性及其对流动的影响
粘性流体流过无厚度平板时的流动特点： ★ 不允许流体穿透平板（满足不穿透条件） ★ 也不允许流体在平板上滑移（满足不滑移条件，由于粘性，紧贴板 面的流体质点粘附在平板上与板面无相对运动） ★ 平板附近速度梯度很大，流层之间的粘性切应力不能忽略，这个区 称为边界层区。 ★ 平板对流动起阻滞作用，平板阻力不为零。
du dy
2018/8/18
5.1 流体的粘性及其对流动的影响
2. 流体的粘性和粘性应力 ★ 流体的粘性是指流体抵抗剪切变形的能力，用流体的物性参数
μ即动力粘性系数代表这种能力的大小。
★ 流体的粘性应力只有当流体质点之间出现相对运动时才会体现
出来。
★ 静止流体即使具有较大的粘性（μ较大），也不存在剪切应力； 粘性较小流体，若相对运动，也可具有较大的剪切应力；理想
流体既不具有粘性（μ =0），运动时也不体现剪切应力。
2018/8/18
流体的粘性及其对流动的影响
3. 流体的粘性对流动的影响
（1）绕过平板的均直流动
理想流流过无厚度平板时的流动特点：
★ 不允许流体穿透平板（不穿透条件）
★ 允许流体质点滑过平板
★ 平板对流动不产生任何影响，平板对流动无阻滞作用，平板阻力为零
管中湍流
5. 损失 6. 剪应力
u y
u' v'
2018/8/18
5.3 粘性流体的应力状态
1、理想流体和粘性流体作用面受力差别 ★ 静止或理想流体内部任意面上只有法向力，无切向力 ★ 粘性流体内部任意面上力既有正向力，也有切向力
2018/8/18
粘性流体的应力状态
在粘性流体运动中，过任意一点任意方向单位面积上的表 面力不一定垂直于作用面，可分解为法向应力和切应力。
第五章
粘性流体动力学基础
赵小虎
2018/8/18
五
粘性流体动力学基础
工程中的问题大多是粘性流体运动问 题，实际的粘性流体运动现象远比理想
流复杂，而控制粘性流体运动的基本方
程及其求解也相对复杂。
2018/8/18
5.1 流体的粘性及其对流动的影响
1. 流体的粘性，牛顿内摩擦定律
★ 流体的粘性是指流体在运动状态下抵抗剪切变形的能力。
④ 实验发现，随着雷诺数增加而呈现的不同流态(层流或湍流)对 于流动的摩擦阻力、流动损失、速度分布等影响很大。
⑤ 雷诺数的物理意义：雷诺数代表作用在流体微团上的惯性力与
粘性力之比。用于判断何种因素占主导作用
2018/8/18
层流与湍流
管中层流与湍流的对比
层流 Re<2100
抛物线分布
对数分布
湍流 Re>4000
转化为压能，一部分克服摩擦阻 力做功），于是在壁面某点速度 变为零（S点）。
流体的粘性及其对流动的影响
★ 旋涡区的出现，使得圆柱壁面压强分布发生了变化，前后不对 称（如前驻点的压强要明显大于后驻点的压强），因此出现了 压差阻力。 ★ 对绕圆球的粘性流动不仅存在摩擦阻力，还存在压差阻力，压 差阻力是由于边界层分离后压强不平衡造成的，但本质上仍然
由A点到B点的流程中将消耗部分 动能用于克服阻力做功。
★ 丧失部分机械能的边界层流动无
法满足由B点到D点压力升高的要 求，在BD流程内流经一段距离就 ★ 流体将从这里离开物面进 入主流场中，这种现象称 为边界层分离，S 点称为 分离点。分离点下游流体 发生倒流，形成旋涡区。
2018/8/18
会将全部动能消耗殆尽（一部分
2018/8/18
层流与湍流
管中层流
1. Re 2.外观 3. 质量与动 量交换 4. 速度分布 较小 色线规则，流动分层，外 表光滑 流层间只限于分子间的较 小的扩散 较尖瘦的抛物线分布，壁 面附近速度和梯度都相对 较小 随Re增加而降低 牛顿应力 较大 流动紊乱、不规则，外表粗糙 在纵向和横向存在较大的微团宏观 质量、动量交换 平均速度是较饱满的对数分布，壁 面附近速度和梯度相对较大 随Re增加转捩时损失增加 牛顿应力及雷诺应力
是由于粘性造成的。
★ 理想流假设撇开粘性来处理问题是一种很有价值的合乎逻辑的 抽象，可成功解决与粘性关系不大的升力等问题，而与粘性关
系密切的阻力等问题则需用粘性流体力学及其简化理论来解决
2018/8/18
5.2 粘 流
5.2 粘流的流动状态
（1）雷诺试验，1883
① 小V，稳定直线，界限分明
② V↑，波纹,横向运动和振荡
如果作用面的法线方向与坐标轴重合，则合应力可分解为
三个分量，分别为法应力分量和切应力分量。
2018/8/18
粘性流体的应力状态
由此可见，用两个下标可把各个应力分量的作用面方位和投影方向表
百度文库
示清楚。其中第一个下标表示作用面的法线方向，第二个下标表示应
力分量的投影方向。
从而三个面的合应力可表示为 x面 : x xxi xy j xz k y面 : y yxi yy j yz k z面 : z zx i zy j zz k 如果在同一点上给定三个相互垂直坐标面上的应力，那么过该点任意 方向作用面上的应力可通过坐标变换唯一确定。
是不同的。
2018/8/18
5.1 流体的粘性及其对流动的影响
一般流层速度分布不是直线，如图所示。
2018/8/18
流体的粘性及其对流动的影响
（2）圆柱绕流
理想流体绕过圆柱时的流动特点：
★ 在流体质点绕过圆柱的过程中，只有动能、压能的相 互转换，而无机械能的损失。在圆柱面上压强分布对 称，无阻力存在。（达朗贝尔疑题）
2018/8/18
流体的粘性及其对流动的影响
粘性流体绕过圆柱时的流动特点：
★ 物面近区由于粘性将产生边界层，
③ V↑，水线破裂、完全掺混
④ V↓，恢复
2018/8/18
层流与湍流
① 流态从层流到湍流的过渡称为转捩。
② 实验表明流态的转捩不是单单取决于某一个流动参数V ,μ等，
而是取决于无量纲的相似组合参数雷诺数，记为Re。 ③ 在非管道流动中也存在层流与湍流这两种不同的流态，从层流
到湍流的转捩也与雷诺数大小有关。
2018/8/18
流体的粘性及其对流动的影响
粘性流体流过无厚度平板时的流动特点： ★ 不允许流体穿透平板（满足不穿透条件） ★ 也不允许流体在平板上滑移（满足不滑移条件，由于粘性，紧贴板 面的流体质点粘附在平板上与板面无相对运动） ★ 平板附近速度梯度很大，流层之间的粘性切应力不能忽略，这个区 称为边界层区。 ★ 平板对流动起阻滞作用，平板阻力不为零。
du dy
2018/8/18
5.1 流体的粘性及其对流动的影响
2. 流体的粘性和粘性应力 ★ 流体的粘性是指流体抵抗剪切变形的能力，用流体的物性参数
μ即动力粘性系数代表这种能力的大小。
★ 流体的粘性应力只有当流体质点之间出现相对运动时才会体现
出来。
★ 静止流体即使具有较大的粘性（μ较大），也不存在剪切应力； 粘性较小流体，若相对运动，也可具有较大的剪切应力；理想
流体既不具有粘性（μ =0），运动时也不体现剪切应力。
2018/8/18
流体的粘性及其对流动的影响
3. 流体的粘性对流动的影响
（1）绕过平板的均直流动
理想流流过无厚度平板时的流动特点：
★ 不允许流体穿透平板（不穿透条件）
★ 允许流体质点滑过平板
★ 平板对流动不产生任何影响，平板对流动无阻滞作用，平板阻力为零
管中湍流
5. 损失 6. 剪应力
u y
u' v'
2018/8/18
5.3 粘性流体的应力状态
1、理想流体和粘性流体作用面受力差别 ★ 静止或理想流体内部任意面上只有法向力，无切向力 ★ 粘性流体内部任意面上力既有正向力，也有切向力
2018/8/18
粘性流体的应力状态
在粘性流体运动中，过任意一点任意方向单位面积上的表 面力不一定垂直于作用面，可分解为法向应力和切应力。
第五章
粘性流体动力学基础
赵小虎
2018/8/18
五
粘性流体动力学基础
工程中的问题大多是粘性流体运动问 题，实际的粘性流体运动现象远比理想
流复杂，而控制粘性流体运动的基本方
程及其求解也相对复杂。
2018/8/18
5.1 流体的粘性及其对流动的影响
1. 流体的粘性，牛顿内摩擦定律
★ 流体的粘性是指流体在运动状态下抵抗剪切变形的能力。
④ 实验发现，随着雷诺数增加而呈现的不同流态(层流或湍流)对 于流动的摩擦阻力、流动损失、速度分布等影响很大。
⑤ 雷诺数的物理意义：雷诺数代表作用在流体微团上的惯性力与
粘性力之比。用于判断何种因素占主导作用
2018/8/18
层流与湍流
管中层流与湍流的对比
层流 Re<2100
抛物线分布
对数分布
湍流 Re>4000
转化为压能，一部分克服摩擦阻 力做功），于是在壁面某点速度 变为零（S点）。
流体的粘性及其对流动的影响
★ 旋涡区的出现，使得圆柱壁面压强分布发生了变化，前后不对 称（如前驻点的压强要明显大于后驻点的压强），因此出现了 压差阻力。 ★ 对绕圆球的粘性流动不仅存在摩擦阻力，还存在压差阻力，压 差阻力是由于边界层分离后压强不平衡造成的，但本质上仍然
由A点到B点的流程中将消耗部分 动能用于克服阻力做功。
★ 丧失部分机械能的边界层流动无
法满足由B点到D点压力升高的要 求，在BD流程内流经一段距离就 ★ 流体将从这里离开物面进 入主流场中，这种现象称 为边界层分离，S 点称为 分离点。分离点下游流体 发生倒流，形成旋涡区。
2018/8/18
会将全部动能消耗殆尽（一部分
2018/8/18
层流与湍流
管中层流
1. Re 2.外观 3. 质量与动 量交换 4. 速度分布 较小 色线规则，流动分层，外 表光滑 流层间只限于分子间的较 小的扩散 较尖瘦的抛物线分布，壁 面附近速度和梯度都相对 较小 随Re增加而降低 牛顿应力 较大 流动紊乱、不规则，外表粗糙 在纵向和横向存在较大的微团宏观 质量、动量交换 平均速度是较饱满的对数分布，壁 面附近速度和梯度相对较大 随Re增加转捩时损失增加 牛顿应力及雷诺应力
是由于粘性造成的。
★ 理想流假设撇开粘性来处理问题是一种很有价值的合乎逻辑的 抽象，可成功解决与粘性关系不大的升力等问题，而与粘性关
系密切的阻力等问题则需用粘性流体力学及其简化理论来解决
2018/8/18
5.2 粘 流
5.2 粘流的流动状态
（1）雷诺试验，1883
① 小V，稳定直线，界限分明
② V↑，波纹,横向运动和振荡
如果作用面的法线方向与坐标轴重合，则合应力可分解为
三个分量，分别为法应力分量和切应力分量。
2018/8/18
粘性流体的应力状态
由此可见，用两个下标可把各个应力分量的作用面方位和投影方向表
百度文库
示清楚。其中第一个下标表示作用面的法线方向，第二个下标表示应
力分量的投影方向。
从而三个面的合应力可表示为 x面 : x xxi xy j xz k y面 : y yxi yy j yz k z面 : z zx i zy j zz k 如果在同一点上给定三个相互垂直坐标面上的应力，那么过该点任意 方向作用面上的应力可通过坐标变换唯一确定。