282边界层分离.pptx

2.8.2 边界层分离边界层分离 不同不同形状形状物体表面上的边界层特征各不相同。物体表面上的边界层特征各不相同。对于对于平壁板面平壁板面，其边界层以外的流动是均匀的，其边界层以外的流动是均匀的，无速度梯度，也无压力梯度的。其边界层内无速度梯度，也无压力梯度的。其边界层内压力压力在垂在垂直于流动方向上的变化可以忽略，所以，直于流动方向上的变化可以忽略，所以，在同一在同一x x距离距离处，边界层内外的压力均相同处，边界层内外的压力均相同。若在流动方向上的通道截面积发生变化（收缩或若在流动方向上的通道截面积发生变化（收缩或者扩张），则边界层外的速度和压力沿流动方向均会者扩张），则边界层外的速度和压力沿流动方向均会发生变化，它将对边界层内的流动有显著影响。正是发生变化，它将对边界层内的流动有显著影响。正是由于边界层内的由于边界层内的压力压力沿流动方向的急剧变化，引起了沿流动方向的急剧变化，引起了边界层分离边界层分离这一重要现象。这一重要现象。边界层分离（边界层分离（Boundary Layer Separation）在某些情况下，边界层内流体发成在某些情况下，边界层内流体发成倒流倒流，引起边界层与，引起边界层与固定壁面的固定壁面的分离分离，并同时产生，并同时产生涡旋涡旋的现象。的现象。边界层分离是造成流体能量损失的主要原因之一。边界层分离是造成流体能量损失的主要原因之一。2.8.2.1 边界层分离的形成过程边界层分离的形成过程 理想流体流经无限长圆柱体理想流体流经无限长圆柱体 因流体因流体无黏性无黏性，其在整个流场均，其在整个流场均无能无能量损失量损失，在圆柱四周的压力分布和速度分，在圆柱四周的压力分布和速度分布完全对称布完全对称 停滞点停滞点A A的速度为零，压力最大；从的速度为零，压力最大；从A A到到B B，流速逐渐增加，压力逐渐减小，至，流速逐渐增加，压力逐渐减小，至B B点，速度达到最大值，压力则为最小值。点，速度达到最大值，压力则为最小值。不可压缩流体流经圆柱体不可压缩流体流经圆柱体 因因黏性黏性作用，流体将在壁面四周形成作用，流体将在壁面四周形成边界层，边界层，如图所示。如图所示。虚线表示流进曲面是的边界层厚度。虚线表示流进曲面是的边界层厚度。在在B B点前，流体处于加速、减压状态，点前，流体处于加速、减压状态，即即 ，所损失的水头中，所损失的水头中，一部分转变为动能，另一部分用于克服黏一部分转变为动能，另一部分用于克服黏性流动所产生的剪应力。到达性流动所产生的剪应力。到达B B点时，速度点时，速度达最大值，压力则为最小值。达最大值，压力则为最小值。过了过了B B点点，流速开始减慢，主流体和，流速开始减慢，主流体和边界层流体均处于减速、增加状态，称为边界层流体均处于减速、增加状态，称为逆向压力梯度逆向压力梯度，即，即 ，。在剪应力和逆向压力梯度的双重作用在剪应力和逆向压力梯度的双重作用下，边界层流体的动能逐渐消耗殆尽，而下，边界层流体的动能逐渐消耗殆尽，而形成一个形成一个新的停滞点新的停滞点P P，在该点处速度为，在该点处速度为零，压力达到极大值。零，压力达到极大值。边界层分离边界层分离 由于流体是由于流体是不可压缩不可压缩的，故后续的，故后续流体到达流体到达P P点时，在高压作用下被迫离点时，在高压作用下被迫离开壁面和原流线方向，将自身部分静开壁面和原流线方向，将自身部分静压能转变为动能，脱离壁面并沿另一压能转变为动能，脱离壁面并沿另一条新流线方向向下游流去。条新流线方向向下游流去。这样，在这样，在P P点的下游就形成了空白点的下游就形成了空白区，在逆向压力梯度的作用下，必有区，在逆向压力梯度的作用下，必有一股倒流的流体补充进来，但它们又一股倒流的流体补充进来，但它们又不能靠近处于高压下的点不能靠近处于高压下的点P P而被迫退回，而被迫退回，形成涡旋形成涡旋。边界层分离边界层分离l通常将上述边界层脱离壁面的现象称为通常将上述边界层脱离壁面的现象称为边界层分离边界层分离。l点点P P称为称为分离点分离点紧靠边壁的边界层中顺流和倒流之间的分紧靠边壁的边界层中顺流和倒流之间的分界线。界线。l在在P P点有点有：l在分离点之后，顺流和倒流两区间必然存在一个分界面在分离点之后，顺流和倒流两区间必然存在一个分界面分离面分离面。它是不稳定的，任何微小的扰动，都会造成它的破。它是不稳定的，任何微小的扰动，都会造成它的破裂，而发展成涡旋。裂，而发展成涡旋。对比对比理想流体理想流体和和不可压缩流体不可压缩流体经过圆柱体经过圆柱体总结：总结：l1 1、分离过程分离过程：在顺压梯度区（：在顺压梯度区（B B点前点前)：流体加速：流体加速 在逆压梯度区（在逆压梯度区（B B点后点后)：BPBP段减速段减速P P点停止点停止P P点后倒流。点后倒流。l2 2、分离的原因分离的原因 黏性黏性l3 3、分离的条件分离的条件 存在逆压梯度，且压力梯度与剪应力梯度相比足够大。存在逆压梯度，且压力梯度与剪应力梯度相比足够大。l4 4、分离的实际发生分离的实际发生 微团滞止和倒流微团滞止和倒流 粘性流体在压力降低区内流动（加速流动），决不会出现边界层的分离，只有在压力升高区内流动（减速流动），才有可能出现分离，形成漩涡。尤其是在主流减速足够大的情况下，边界层的分离就一定会发生。2.8.2.2边界层分离条件边界层分离条件 如上所诉，在边界层分离点前流线图形与理想流体基本相如上所诉，在边界层分离点前流线图形与理想流体基本相似，而分离点后则发生了实质性的改变。相应的压力分布也发似，而分离点后则发生了实质性的改变。相应的压力分布也发生了很大变化，它转而又影响到产生边界层分离的条件。生了很大变化，它转而又影响到产生边界层分离的条件。最终分离点的位置将取决于最终的压力分布和速度分布最终分离点的位置将取决于最终的压力分布和速度分布，而不是取决于最初的流线图形。而不是取决于最初的流线图形。l如图如图2-292-29，在分离点，在分离点P P处，速度分布曲线在壁面处的切线正好处，速度分布曲线在壁面处的切线正好与壁面垂直。与壁面垂直。l若流体速度较小，在圆柱体壁面形成的边界层为层流边界层若流体速度较小，在圆柱体壁面形成的边界层为层流边界层时，分离点将逐渐向上游移。如图时，分离点将逐渐向上游移。如图2-302-30（a a）l若流速较大，在若流速较大，在在圆柱体壁面形成的边界层为湍流边界层时，在圆柱体壁面形成的边界层为湍流边界层时，分离点位置更加靠后如图分离点位置更加靠后。如图2-302-30（b b）综上所诉，逆压梯度及壁面附近的黏性摩擦力是引起边界层分离综上所诉，逆压梯度及壁面附近的黏性摩擦力是引起边界层分离的两个必要因素。压力梯度与剪应力梯度相比足够大，就会发生分离的两个必要因素。压力梯度与剪应力梯度相比足够大，就会发生分离现象。现象。速度梯度：速度梯度：，黏性剪应力为：黏性剪应力为：，剪应力梯度为：，剪应力梯度为：压力梯度：压力梯度：二者之比为：二者之比为：，当，当 约为约为10101212时，将会发生分离。时，将会发生分离。l在分离点之后，会形成尾涡区，同时在物体后端还在分离点之后，会形成尾涡区，同时在物体后端还会出现具有涡旋运动的尾流，从而导致了物体会出现具有涡旋运动的尾流，从而导致了物体形体形体阻力阻力F Fdfdf的产生。的产生。l由于由于湍流边界层湍流边界层分离点较层流边界层靠后，故形成分离点较层流边界层靠后，故形成尾流较小，尾流较小，形体阻力也较小形体阻力也较小，但并不意味着总阻力，但并不意味着总阻力较层流小。较层流小。l像像圆柱圆柱这样具有凸形的物体所产生的阻力都主要来这样具有凸形的物体所产生的阻力都主要来自自由压差所引起的自自由压差所引起的形体阻力形体阻力，只有在低，只有在低ReRe下才考下才考虑摩擦阻力。虑摩擦阻力。l物体表面为物体表面为流线型或平壁流线型或平壁时，总阻力则以时，总阻力则以摩擦阻力摩擦阻力为主，形体阻力反而可以忽略不计。为主，形体阻力反而可以忽略不计。分离实例分离实例