高等工程流体力学

《高等工程流体力学》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、内容提纲Ø边界层及其方程Ø层流边界层流动转捩Ø湍流边界层结构Ø流动分离、二次流动与旋涡能源动力领域流动问题的主要特征Ø全三维Ø非定常Ø粘性p高雷诺数，边界层p边界层：层流、转捩、湍流（紊流），分离流动，旋涡运动叶轮机械（透平和压气机等）大多由单个或多个级组成。每个级含有一排静子叶片列和一排转子叶片列。在级内的气流场中，一般至少有以下几种流动现象发生：1、前缘马蹄涡；2、通道涡；3、顶部间隙涡；4、边界层转捩；5、叶片尾迹；6、旋涡、尾迹等与叶片列周期性非定常相互作用。p激波、激波与边界层相互作用14边界层流

2、动p边界层边界层概念：粘性很小的流体以大雷诺数运动时，在大部分流场上可以略去粘性的作用；但在物面附近的很薄的一层流体内必须考虑粘性作用。这一薄层流体称为边界层。平板边界层示意图有边界的流动图谱如右上图所示：流动分为三个区：边界层，尾迹区，位流区（外部势流区）二维平板的边界层微分方程设直匀流以零迎角平行流过一块长度为的平板,如左下图所示，人为规定，当某个y处的速度达到层外自由流的99％时，这一点到物体表面的距离（即y）称为边界层在改点的厚度，记为。显然，边界层的厚度是与X有关的，所以可以写成。14平板边界层边

3、界层的厚度很小，满足此关系式：在忽略质量力的前提下，粘性平面不可压流的运动方程加上连续方程是:用边界层条件式上式，y的数值限制在边界层之内，即经过数量级分析，上面方程组化为：的物理意义：在边界层内，沿物体表面的发法线方向压强是不变的，亦即等于边界层处自由流的压强。ü卡门动量积分关系解采用动量积分法得出控制面ABCD的动量变化：其中：为边界层边界上的流速。作用在AB,BC,CD,AD四个面上的力在x方向上投影的合力的冲量是：根据动量定理得：14即定常流动的边界层动量积分关系式，也叫卡门－波尔豪森（Karman

4、-Pohlhausen）动量积分关系式。该式不仅适用于层流边界层，也适用于准定常紊流边界层；不仅适用于平板，也适用于微弯曲面；既适用于不可压流，也适用于可压流。引入两个新的概念：一个叫位移厚度，另一个叫动量损失厚度。分别定义如下：平板边界层示意图的物理意义：相当于流线在边界层边界处被推出边界层外的距离，为了把粘性考虑进去，就要把按理想流算出的流型各点的y坐标都增加当地位移厚度那么大的尺寸。的物理意义：等号右侧第一项是实际流量乘以层外流速这样一个假想动量，而第二项则是实际流量乘以实际流速，这是实际动量。二者之

5、差就是层内那部分流量在没有粘性力作用时应有的动量与粘性力作用时的实际动量之差，也就是由于有粘性力作用而损失的动量，这些损失的动量折合成以流动的，厚度为的一层流体所具有的动量，动量损失厚度即为：然后，引用符号（形状因子），边界层动量积分关系式可以改写为：其中采用控制体方法建立积分关系式在定常流动的流体中，沿边界层划出一个单位宽度的微小控制体，它的投影面ABDC。由作为x轴的物体壁面上的一微元距离BD、边界层的外边界AC和彼此相距dx的两直线AB和CD所围成。应用动量方程来研究该控制体内的流体在单位时间内沿x方

6、向的动量变化和外力之间的关系。边界层的动量积分14边界层厚度于雷诺数成反比，与流程的距离成正比：三种边界层厚度的比较对于平板层流边界层：边界层厚度正比于x1/2对于平板湍流边界层：边界层厚度正比于x4/5湍流边界层厚度大于层流边界层厚度摩擦阻力系数与雷诺数成反比对于平板层流边界层：壁面摩察应力Cf反比于L1/2对于平板湍流边界层：壁面摩察应力Cf反比于L1/5湍流壁面摩察阻力大于层流壁面摩察阻力流体在翼型的上表面形成较大的扩压区，以致引起边界层的分离。随着冲角的增大，分离点向前移动，在翼上表面的大部分及其后

7、面形成很大的尾涡区，使翼型上、下表面的压差减小，因此升力和升力系数都急剧下降。最大升力系数的相应点称为失速点，因为超过该点飞机和14涡轮机的性能均将恶化。再看翼型的阻力系数Cd与冲角的关系。当冲角较小时，翼型前后的压差很小，总的阻力中摩擦阻力是主要的，阻力边界层转捩湍流局部换热系数①稳定层流②T/S波③展向旋涡④三维涡破碎⑤湍流斑⑥充分发展湍流影响边界层转捩的因素转捩是个复杂的物理过程，受到很多因素的影响：雷诺数自由流湍流强度压力梯度、表面曲率、加速率表面粗糙度、拌线壁面温度及热流14噪声波激波与边界层相互

8、干涉等等。为了准确预估转捩，必须综合考虑上述诸多因素，但至今还没有完整的理论。转捩的分类自然转捩（NatureTransition）当来流湍流度较低(小于0.1%)，层流中的Tollmien-Schlichting波或横流不稳定波的非线性指数增长将导致湍斑的出现，之后流动迅速发展为完全湍流状态，这种过程被称为自然转捩或横流转捩旁路（跨越）转捩（BypassTransition）当来流湍流度较高时，转捩会直接绕过T