邊界層分離論文

1、邊界層分離(xxx)摘要：本文中我們將就邊界層分離的現(xiàn)象、邊界層分離發(fā)生的機(jī)理、邊界層分離發(fā)生的 必要條件以及如何控制邊界層分離等方面對(duì)邊界層分離現(xiàn)象做一個(gè)較為系統(tǒng)的描述。關(guān) 于邊界層分離現(xiàn)象，郭永懷先生曾經(jīng)在其講義中這樣生動(dòng)描述到：“我們知道在減速區(qū) 域內(nèi)，流體的動(dòng)能不斷地在消耗，而且還要再壓力的反作用下向下游流動(dòng)。一般地說， 在減速區(qū)域內(nèi)，壓力梯度在下游方向不斷增加；在動(dòng)能消耗到一定程度，表面的一層流 體就不能再克服壓力的作用繼續(xù)流動(dòng)。這就像在重力作用下的擺錘一樣，在到達(dá)一個(gè)高 度后，它的的瞬時(shí)速度就等于零。當(dāng)那一層薄薄的流體一旦停止向前運(yùn)動(dòng)，由于連續(xù)性 的要求，下游的流體便必須倒流過來，

2、就像一個(gè)楔子似地把邊界層與固體分開。”1當(dāng) 然，這只是從易于理解的角度上所作的大致說明，下面我們將就邊界層分離機(jī)理、邊界 層分離機(jī)理、邊界層分離條件以及如何控制邊界層分離等四個(gè)方面對(duì)邊界層分離現(xiàn)象做 一個(gè)系統(tǒng)的說明；前提是在筆者所理解的范圍內(nèi)。關(guān)鍵詞：邊界層；分離；現(xiàn)象；控制A summary of boundary layer separationxxxAbstract:About the boundary layer separation phenomenon, Mr. Guo Yonghuai once in his lecture so vivid description: We kn

3、ow that in the deceleration zone, the kinetic energy of the fluid constantly in consumption, but also the reaction under pressure then flows downstream. Generally, in the deceleration region, the pressure gradient increasing in the downstream direction; the kinetic energy consumption to a certain ex

4、tent, the surface layer of the fluid can no longer continue to flow to overcome the effect of the pressure, which is like a pendulum under the action of gravity, as in reaching a height, its instantaneous speed is zero. when that a thin layer of fluid once the stop forward motion, as the requirement

5、s for continuity, downstream of the fluid it must come back, like a wedge Side of the boundary layer and the solid apart. 1Of course, this is only understandable from the perspective of the general explanation made the following, we will boundary layer separation mechanism, boundary layer separation

6、 mechanism, the boundary layer separation conditions and how to control the boundary layer separation and other four aspects of a boundary layer separation phenomena Description of the system; premise is understood by the author within the range.Keywords: Boundary layer; separation; phenomenon; cont

7、rol引言在雷諾數(shù)較大的情況下不可壓縮黏性流體縱向流過平板時(shí)，在邊界層外邊界上沿平板方 向的速度是相同的，且整個(gè)流場(chǎng)和邊界層內(nèi)壓強(qiáng)保持不變。當(dāng)大雷諾數(shù)流動(dòng)的流體流經(jīng)曲面 物體時(shí)，邊界層外邊界上沿曲面方向的速度是變化的，層內(nèi)的壓強(qiáng)也將同時(shí)發(fā)生改變，從而 對(duì)邊界層內(nèi)的流動(dòng)發(fā)生影響。在邊界層中，由于物體邊界的阻礙作用，流體微元的流速較勢(shì) 流流速減小，邊界層的厚度順流增加，這些減速了的流體微元不總是在層中流動(dòng)，在外勢(shì)流 流速的影響下層內(nèi)流體微元發(fā)生反向回流，這樣就迫使邊界層內(nèi)的流體向外邊界層流動(dòng)。邊 界層流體脫離壁面，同時(shí)出現(xiàn)回流和漩渦現(xiàn)象，即邊界層分離。1邊界層分離的現(xiàn)象有哪些?首先我們先談?wù)勈裁词?/p>

8、邊界層分離現(xiàn)象。當(dāng)一個(gè)粘性流體流過曲面物體例如圓柱體時(shí)，在物體表面附近也形成邊界層。但在某些 情況下如物體表面曲率較大時(shí)，常常會(huì)出現(xiàn)邊界層與固體壁面想脫離的現(xiàn)象。此時(shí)，壁面附 近的流體將發(fā)生倒流并產(chǎn)生漩渦，導(dǎo)致流體能量的大量損失。這種現(xiàn)象稱為邊界層分離。氣流繞翼流動(dòng)時(shí)邊界層分離現(xiàn)象如下圖：圖1邊界層分離的現(xiàn)象Fig.1 boundary layer separation phenomenon2邊界層分離發(fā)生的機(jī)理首先我們從定性的角度考慮，邊界層中的流體質(zhì)點(diǎn)受慣性力、粘性力和壓力的作用。其 中，粘性力的作用始終是阻滯流體質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，使流體質(zhì)點(diǎn)減速，失去動(dòng)能；壓力的作用取決 于繞流物體的形狀和流道形

9、狀，順壓梯度有助于流體加速前進(jìn)，而逆壓梯度阻礙流體運(yùn)動(dòng)。對(duì)于理想流體，流體微團(tuán)繞過圓柱時(shí)，在OM段為加速減壓區(qū)，壓能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能。在 MF段為減速增壓區(qū)，動(dòng)能減小壓能增加。圖2理想流體繞長(zhǎng)圓柱的流動(dòng)Fig.2 ideal fluid flow around a long cylindrical對(duì)于粘性流體，在上述能量的轉(zhuǎn)化過程中，由于粘性的作用，邊界層內(nèi)的流體質(zhì)點(diǎn)將要 克服粘性力作功而消耗機(jī)械能。因此微團(tuán)在逆壓區(qū)，不可能到達(dá)F點(diǎn)，而是在MF段中的某 點(diǎn)處微團(tuán)速度降為零，以后來的質(zhì)點(diǎn)將改道進(jìn)入主流中，使來流邊界層與壁面分離。在分離 點(diǎn)下游的區(qū)域，受逆壓梯度的作用而發(fā)生倒流。分離點(diǎn)定義為緊鄰壁面順流

10、區(qū)與倒流區(qū)的分 界點(diǎn)。在分離點(diǎn)附近和分離區(qū)，由于邊界層厚度大大增加，邊界層假設(shè)不在成立。邊界層分離 的必要條件是：逆壓梯度和物面粘性的阻滯作用結(jié)果。僅有粘性的阻滯作用而無逆壓梯度， 不會(huì)發(fā)生邊界層的分離，因?yàn)闊o反推力使邊界層流體進(jìn)入到外流區(qū)。這說明，順壓梯度的流 動(dòng)不可能發(fā)生邊界層分離。只有逆壓梯度而無粘性的阻滯作用，同樣也不會(huì)發(fā)生分離現(xiàn)象， 因?yàn)闊o阻滯作用，運(yùn)動(dòng)流體不可能消耗動(dòng)能而滯止下來。3】圖3非理想流體繞長(zhǎng)圓柱的流動(dòng)Fig.3 non-ideal fluid flow around a long cylindrical接下來，我們公式推導(dǎo)的角度進(jìn)一步分析邊界層分離的機(jī)理。首先分析一下在

11、不同壓力梯度區(qū)邊界層的速度分布特征。根據(jù)邊界層動(dòng)量方程，在壁面 上：d2u1 dpu du TOC o 1-5 h z =一 一eedy 2 dxv dx壓力梯度對(duì)邊界層內(nèi)流動(dòng)速度分布產(chǎn)生一定的影響。對(duì)于順壓梯度的情況，有：dpd 2udun瓦 標(biāo) 對(duì)于逆壓梯度的情況，有:6p 八合2u_ du瓦 0,加 ，云對(duì)于零壓梯度的情況，有：| = 0,料=,料二由此可見，隨著壓力梯度的變號(hào)，邊界層速度分布的曲率將改變符號(hào)。圖4曲面邊界層分離的形成Fig.4 the formation of the surface boundary layer separation對(duì)于順壓梯度區(qū)，壓力沿程減小，速度沿

12、程增加（加速減壓）。在壁面處：dud2U Id y= dy 2 y=另一方面，在邊界層的外邊界上，有：竺 I =。竺 I dy y=8dy 2 y=8由此說明，在順壓梯度區(qū)，邊界層內(nèi)的速度沿y方向是單調(diào)增加的，分布曲線無拐點(diǎn)， 是一條向外凸的光滑曲線，流動(dòng)是穩(wěn)定的。圖5順壓梯度下速度分布Fig.5 velocity distribution along the pressure gradient對(duì)于逆壓梯度區(qū)，壓力沿程增加，速度沿程減?。p速加壓）。在壁面處:du |、 洲 |、dy y= dy 2 y=另一方面，在邊界層的外邊界上:奪I -A竺I dy y=s dy 2 y=s圖6逆壓梯度下

13、速度分布Fig.6 velocity distribution along the Adverse pressure gradient于是在邊界層內(nèi)（A y 0dy y=ady 2 y=。該點(diǎn)稱為分離點(diǎn)。由于流體是不可壓縮的，后繼的流體質(zhì)點(diǎn)因分離點(diǎn)處的高壓不能接近 該點(diǎn)，被迫脫離壁面和原來的流向向下游流去。在分離點(diǎn)下游區(qū)有：dpdud2u . A,I A dxdy y=Ady 2 y=A發(fā)生了回流，回流把主流推離壁面，邊界層假設(shè)失效。由上分析可見，逆壓梯度愈大， 邊界層分離愈靠前。邊界層分離后，流動(dòng)特征發(fā)生了如下變化：（1）從分離點(diǎn)不斷脫離出旋渦，在分離點(diǎn)下游形成不穩(wěn)定的旋渦區(qū)，從而使得主流區(qū)

14、 由原來的無渦變成有渦。（2）物面上壓力分布由原來的幾乎對(duì)稱分布變成不對(duì)稱分布，在分離點(diǎn)后出現(xiàn)低壓區(qū) （或負(fù)壓區(qū)），從而大大增加了繞流物體的阻力。3理想流體能否發(fā)生邊界層分離理想流體不能發(fā)生邊界層分離，因?yàn)檫吔鐚臃蛛x存在兩個(gè)必要條件：物面附近的流動(dòng)區(qū)域中存在逆壓梯度；酬體的粘度。二者缺一不可，由于理想流體忽略粘度，因而不會(huì)發(fā)生邊界層分離的現(xiàn)象。4邊界層發(fā)生分離的條件:物面附近的流動(dòng)區(qū)域中存在逆壓梯度;酬體的粘度。二者均為必要條件，缺一不可。5如何控制邊界層分離邊界層分離后，會(huì)產(chǎn)生很大的能量損失；我認(rèn)為，能量的損失主要是由于兩個(gè)原因：一 是平均流的粘性耗散，二是由于湍流脈動(dòng)動(dòng)能的產(chǎn)生。分離渦的尺

15、寸和旋渦區(qū)的區(qū)域越大， 損失越大。當(dāng)然還有少量的粘性和湍流擴(kuò)散和對(duì)流的影響，這部分能量很小，可忽略。不僅如此，邊界層分離如果發(fā)生在機(jī)翼上將產(chǎn)生很嚴(yán)重的后果，那就是失速。邊界層分 離還會(huì)使機(jī)翼的阻力大大增加，機(jī)翼被設(shè)計(jì)成園頭尖尾的流線型就是為了減小阻力。在高亞 音速飛機(jī)上采用的超臨界翼型，也是為了避免邊界層的分離。所以，必須對(duì)邊界層的分離進(jìn)行控制。目前筆者并未找到合適的控制方法，從各方面搜 集到的資料中也沒有令人滿意的信息，但與高寧同學(xué)的討論中，她給我提供了一些有用的東 西，具體表述如下：5有效控制邊界層的方法主要有兩種：被動(dòng)流動(dòng)控制設(shè)法使邊界層中的流體獲得更高能量，因此邊界層中的流體易于克服逆

16、壓梯度從而防止 分離。主動(dòng)流控制使用微型致動(dòng)器改變繞流體邊界層分離點(diǎn)附近流體的動(dòng)能，使分離點(diǎn)的位置發(fā)生移動(dòng)， 實(shí)現(xiàn)流體動(dòng)力學(xué)性能的改變和對(duì)繞流體進(jìn)行宏觀控制的目的。在生活中將流體做成流線型，下圖為流線型在生活中的實(shí)例：圖7生活中的邊界層分離Fig.7 life in the boundary layer separation對(duì)于飛機(jī)來說，邊界層分離如果發(fā)生在機(jī)翼上將產(chǎn)生很嚴(yán)重的后果，那就是失速。邊界 層分離還會(huì)使機(jī)翼的阻力大大增加，機(jī)翼被設(shè)計(jì)成園頭尖尾的流線型就是為了減小阻力。還 有在高亞音速飛機(jī)上采用的超臨界翼型，也是為了避免邊界層的分離。6結(jié)論邊界層的的產(chǎn)生是流體動(dòng)能克服黏性阻力和逆壓梯度的結(jié)果，因此邊界層分離現(xiàn)象的產(chǎn) 生必須具備兩個(gè)必要的條件：首先是流體必須具有黏性；二是物體表面附近的流動(dòng)區(qū)域中必 須存在逆壓梯度。邊界層分離的結(jié)果會(huì)導(dǎo)致大量的能量損失，對(duì)