2.8.2 边界层分离

2.8.2边界层分离不同形状物体表面上的边界层特征各不相同。对于平壁板面，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。其边界层内压力在垂直于流动方向上的变化可以忽略，所以，在同一x距离处，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。正是由于边界层内的压力沿流动方向的急剧变化，引起了边界层分离这一重要现象。边界层分离（BoundaryLayerSeparation）在某些情况下，边界层内流体发成倒流，引起边界层与固定壁面的分离，并同时产生涡旋的现象。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理想流体流经无限长圆柱体因流体无黏性，其在整个流场均无能量损失，在圆柱四周的压力分布和速度分布完全对称停滞点A的速度为零，压力最大；从A到B，流速逐渐增加，压力逐渐减小，至B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因黏性作用，流体将在壁面四周形成边界层，如图所示。虚线表示流进曲面是的边界层厚度。在B点前，流体处于加速、减压状态，即，，所损失的水头中，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B点时，速度达最大值，压力则为最小值。0dxdux0dxdp过了B点，流速开始减慢，主流体和边界层流体均处于减速、增加状态，称为逆向压力梯度，即，。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，而形成一个新的停滞点P，在该点处速度为零，压力达到极大值。0dxdux0dxdp边界层分离由于流体是不可压缩的，故后续流体到达P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。这样，在P点的下游就形成了空白区，在逆向压力梯度的作用下，必有一股倒流的流体补充进来，但它们又不能靠近处于高压下的点P而被迫退回，形成涡旋。边界层分离通常将上述边界层脱离壁面的现象称为——边界层分离。点P称为分离点——紧靠边壁的边界层中顺流和倒流之间的分界线。在P点有：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。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。00yxyu对比理想流体和不可压缩流体经过圆柱体总结：1、分离过程：在顺压梯度区（B点前)：流体加速在逆压梯度区（B点后)：BP段减速→P点停止→P点后倒流。2、分离的原因—黏性3、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。4、分离的实际发生—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，而不是取决于最初的流线图形。如图2-29，在分离点P处，速度分布曲线在壁面处的切线正好与壁面垂直。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2-30（a）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，分离点位置更加靠后。如图2-30（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。速度梯度：∽，黏性剪应力为：，剪应力梯度为：压力梯度：∽二者之比为：，当约为10∽12时，将会发生分离。yux0u0u20udxdpdxduu00dxdu02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，从而导致了物体形体阻力Fdf的产生。由于湍流边界层分离点较层流边界层靠后，故形成尾流较小，形体阻力也较小，但并不意味着总阻力较层流小。像圆柱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形体阻力，只有在低Re下才考虑摩擦阻力。物体表面为流线型或平壁时，总阻力则以摩擦阻力为主，形体阻力反而可以忽略不计。分离实例