边界层内流体的流动存在层流和紊流两种流动状态-西安建筑科技大学ppt课件.ppt

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1、第一章流体力学基础——不可压缩粘性流体的流动西安建筑科技大学粉体工程研究所11.6不可压缩粘性流体的流动层流与湍流边界层理论不可压缩粘性流体的层流运动不可压缩粘性流体的湍流运动混合长度理论2层流与湍流1883年，雷诺（Reynolds）观察直圆管中的水流层流状态过渡状态紊流状态3层流湍流流体质点作有规则的运动，在运动过程中质点之间互不混杂，互不干扰。（流速慢）又称紊流。流体质点作无规则的运动，除沿流动方向的主要流动外，还有附加的横向运动，导致运动过程中质点间的混杂。（流速快）雷诺试验表明：流体运动时有两

2、个临界速度。（注意：都是平均速度）uc′——上临界速度，流速由慢变快，当u>uc′时，层流变成湍流；Uc——下临界速度，流速由快变慢，当uuc；当ucRec′为湍流流动当Rec

3、光滑圆管的流动Rec=2300。5边界层理论1904年，由普朗特（Prandtl）在海德堡举行的第三届国际数学会议上提出。在大雷诺数下紧靠物体表面流速从零急剧增加到与来流速度相同数量级的薄层称为边界层。理想流体——欧拉方程粘性流体——粘性流体运动微分方程对于大雷诺数流动问题，可将流动分成两个区域：远离壁面的大部分区域和壁面附近的一层很薄的流体层。在远离壁面的主流区域，由于雷诺数很大，惯性力起主导作用，可按理想流体处理。而对于壁面附近的薄流体层，由于流体的粘性作用，必须考虑粘性力的影响。6边界层的形成与发

4、展——外掠平板流由层流边界层开始转变为湍流边界层的距离.临界距离xc临界雷诺数7边界层的形成与发展——圆管内受迫流动流体进入管口后，开始形成边界层，并随流向逐渐增厚。但与外掠平板不同，在稳态下，沿管长各断面流量不变，故管芯流速随边界层的增厚而增加，经一段距离l,管壁两侧的边界层将在管中心汇合，厚度等于管半径。其流态由平均流速um计算的雷诺数判断，<2300,层流；>104，旺盛紊流。8边界层的厚度（10-3m）规定从固体壁面沿外法线到速度达到主流速度的99%处的距离为边界层的厚度。平板上层流边界层平板上

5、湍流边界层20oC的空气以10m/s的主流速度外掠平板，在板前缘100mm和200mm处的有限边界层厚度分别为1.8mm和2.5mm。9边界层的特征（1）边界层极薄，其厚度与物体或壁的定型尺寸相比极小；（2）边界层内沿边界层厚度的速度变化非常急剧，即速度梯度很大；（3）边界层沿着流体流动的方向逐渐增厚；（4）边界层内流体的流动存在层流和紊流两种流动状态；（5）在边界层内粘滞力和惯性力是同一数量级的；（6）边界层中各截面上的压强等于同一截面上边界层外边界上的压强；（7）流场可划分为主流区（由理想流体运动微

6、分方程——欧拉方程描述）和边界层区（用粘性流体运动微分方程描述）。只有在边界层内才显示流体粘性的影响。10外掠圆管流的绕流脱体现象——边界层分离xA点流体的流速降为零，驻点，AB,压力逐渐降低，主流速逐渐增大，顺压梯度，压力能一部分转变为流体动能，另一部分克服摩擦阻力消耗；压力最大B点压力最小，主流速最大；B点以后,压力逐渐增大，主流速逐渐减小，逆压梯度，动能一部分转变为压力能，另一部分克服摩擦阻力消耗；11外掠圆管流的绕流脱体现象——边界层分离xP点流体的动能消耗殆尽，流速降为零P点以后，壁面流体停止

7、向右流动，并随即向反方向流动，至此边界层中出现逆向流动，形成漩涡，正常的边界层流动被破坏；分离点（绕流脱体的起点）P点具体位置取决于雷诺数的大小，雷诺数太小（<10)，不会出现脱体现象。12高尔夫球飞行问题的答案13不可压缩粘性流体的层流运动流体在管道内的受迫流动（无限长的直圆管）入口起始段流体流动受入口条件的影响充分发展段流体流动不受入口条件的影响，保持稳定层流或旺盛紊流运动流体在管道内的稳定层流流动14不可压缩粘性流体在管道内的稳定层流流动(1)=常数；=常数(2)稳定流动：(3)充分发展流动:(4

8、)忽略重力:已知条件：xz15连续方程N-S方程000000000000000000000000016方程左端uz仅为x和y的函数，右端P仅为z的函数，方程两边要相等，必须同时为常数。边界条件：r=r0,uz=0为简便起见，需把直角坐标转化为柱坐标xz17直角坐标柱坐标边界条件：r=r0,uz=0z00在管道截面上uz仅与r有关，与无关0ddrur边界条件：r=r0,ur=018积分斯托克斯公式圆管流动中流体剪应力的大小与径向坐标r成正比