第六章--实际流体的绕流运动

第六章实际流体的绕流运动ChapterSixCirclingMotionofTheActualFluid本章讨论的是考虑黏性作用的流体流动，只涉及不可压缩实际流体。第二节边界层的基本概念TheConceptionofBoundaryLayer流体作用于物体上的力可分解为两个分量：一个是垂直于来流方向的作用力，称为升力；一个是平行于来流方向的作用力，称为阻力。一、边界层的概念(TheConceptionofBoundaryLayer)德国科学家普朗特在1904年通过实验指出，在大雷诺数情况下，黏性的影响仅限于被绕流物体表面的贴壁薄层之内，在薄层之外的所谓外部流动中，黏性可以被忽略，并称这一薄层为边界层。在边界层和尾涡区内，黏性力作用显著，黏性力和惯性力有相同的数量级，属于黏性流体的有旋流动区；在边界层和尾涡区外，流体的运动速度几乎相同，速度梯度很小，边界层外部的流动不受固体壁面的影响，即使黏度较大的流体，黏性力也很小，主要是惯性力。所以可将这个区域看作是理想流体势流区，普朗特边界层理论开辟了用理想流体理论和黏性流体理论联合研究的一条新途径。实际上边界层内、外区域并没有明显的分界面，一般将壁面流速为零与流速达到来流速度的99％处之间的距离定义为边界层厚度。边界层厚度沿着流体流动方向逐渐增厚，这是由于边界层中流体质点受到摩擦阻力的作用，沿着流体流动方向速度逐渐减小，因此，只有离壁面逐渐远些，也就是边界层厚度逐渐大些才能达到来流速度。普朗特边界层内流体流动的特征为：1.与绕流物体长度相比，边界层厚度很小；2.前缘处厚度为零，沿流动方向逐渐增厚；3.边界层内部的速度，在物面处为零，沿物面法线方向速度变化是，由急剧增大过渡到缓慢增大，愈近壁面，速度梯度愈大，旋涡强度亦愈大；4.边界层内黏性摩擦力与惯性力是同一数量级；5.边界层内压强。因边界层很薄，可以认为物体壁面法线方向上各点压强不变，且等于其外界处压强值。因此，边界层内压强仅只是沿壁面坐标的函数。6.边界层内流态有层流、紊流两种，其临界雷诺数可近似取为5×106～3×106。二、管流边界层(BoundaryLayeroftubestream)图6-4是圆管入口段的定常流动情况，由图中可清楚看到管流的发展过程。圆管内流动完全是层流流态时，入口段长度L*较大，由实验可知L*=0.058dRe当加大流速，使边界层在圆管入口某处变为紊流时，由于紊流边界层厚度增加快，则入口段长度比层流流态时短，约为L*=20～50d三、自由边界层(FreeBoundaryLayer)从喷管向充满同种或不同种流体的空间喷出的射流，是边界层流动的另一种实例。第四节边界层分离现象BoundaryLayerSeparation物体表面绕流中，物体表面上的边界层可能从某个位置开始脱离物面，并在物面附近出现与主流方向相反的回流，我们称这种现象为边界层分离现象，如图6-9所示。一、边界层分离的原因(TheReasonofBoundaryLayerSeparation)以圆柱体绕流为例定性说明边界层分离的原因。当黏性流体绕圆柱体流动时，在圆柱体前驻点A处，流速为零，该处尚未形成边界层，即边界层厚度为零。随着流体沿圆柱体表面上下两侧绕流，边界层厚度逐渐增大。层外的流体可近似地作为理想流体，理想流体绕流圆柱体时，在圆柱体前半部速度逐渐增加，压强逐渐减小，是加速流。当流到圆柱体最高点B时速度最大，压强最小。到圆柱体的后半部速度逐渐减小，压强逐渐增加，形成减速流。由于边界层内各截面上的压强近似地等于同一截面上边界层外边界上的流体压强，所以，在圆柱体前半部边界层内的流动是降压加速，而在圆柱体后半部边界层内的流动是升压减速。因此，在边界层内的流体质点除了受到摩擦阻力的作用外，还受到流动方向上压强差的作用。在圆柱体前半部边界层内的流体质点受到摩擦阻滞逐渐减速，不断消耗动能。但由于压强沿流动方向逐渐降低，使流体质点得到部分增速，也就是说流体的部分压强能转变为动能，从而抵消一部分因摩擦阻滞作用而消耗的动能，以维持流体在边界层内继续向前流动。但当流体绕过圆柱体最高点B流到后半部时，压强增加，速度减小，更促使边界层内流体质点的减速，从而使动能消耗更大。当达到S点时，近壁处流体质点的动能已被消耗完尽，流体质点不能再继续向前运动，于是一部分流体质点在S点停滞下来，过S点以后，压强继续增加，在压强差的作用下，除了壁上的流体质点速度仍等于零外，近壁处的流体质点开始倒退。接踵而来的流体质点在近壁处都同样被迫停滞和倒退，以致越来越多被阻滞的流体在短时间内在圆柱体表面和主流之间堆积起来，使边界层剧烈增厚，边界层内流体质点的倒流迅速扩展，而边界层外的主流继续向前流动，这样在这个区域内以ST线为界，如图5-5所示，在ST线内是倒流，在ST线外是向前的主流，两者流动方向相反，从而形成旋涡。使流体不再贴着圆柱体表面流动，而从表面分离出来，造成边界层分离，S点称为分离点。形成的旋涡，不断地被主流带走，在圆柱体后面产生一个尾涡区。尾涡区内的旋涡不断地消耗有用的机械能，使该区中的压强降低，即小于圆柱体前和尾涡区外面的压强，从而在圆柱体前后产生了压强差，形成了压差阻力。压差阻力的大小与物体的形状有很大关系，所以又称为形状阻力。边界层分离在工程中是一种常见的现象。例如，轴流式泵、风机或汽轮机叶片，一旦发生边界层分离，阻力显著增大，升力显著减小，即出现失速现象，以致于引起旋转脱流、振动，使性能恶化，甚至造成机械破坏。若飞机机翼上出现失速现象，将会带来更大的危险。边界层分离的特征：1.边界层分离不会出现在加速降压区，只可能出现在减速增压区；2.边界层发生分离是逆向压力梯度与物体表面黏性阻滞作用的综合结果，这二者是产生分离的必要条件，光有黏性阻滞作用，没有逆向压力梯度，不会发生分离，因为流体不会倒流；光有逆向压力梯度，没有黏性阻滞作用，也不会发生分离，因为流体不会停止下来。3.有了黏性阻滞作用和逆向压力梯度，也不一定发生分离，还要看逆向压力梯度的大小。例如流体绕过象圆柱体这样的钝头物体后压力急剧升高，边界层很容易发生分离。4.层流边界层比紊流边界层更容易发生分离。这是因为壁面附近层流中质点的能量很快由于摩擦而消耗掉，而紊流中质点动量交换的持续不断把动量由主流区传递到壁面附近，使流体质点有能力承受更高的逆向压力梯度继续维持前进而推迟分离。二、锐缘效应(sharpedgeeffect)流体绕过任何物体的尖缘时，总要出现分离现象，如图6-12（a）所示。以图6-12（b）所示为例说明产生这种现象的原因。三、绕圆柱流动及卡门涡街分离现象的出现及尾涡区的流图取决于雷诺数dcdRe①1Red时，几乎看不到分离现象。②随着数的增大，产生涡流的情况如（b、c、d）③5102Red时，边界层出现层流状态下的分离④5105Red时，边界层内的流动在分离现象出现之前已处于紊流状态，由于紊流流动动能较大，因而分离点后移。当90Red～200的流动中，背流面旋涡不断的交替生成及脱离开柱体表面，并在尾涡区形成交替排列、旋转方向相反的有规则的两行旋涡，称这为卡门涡街。随着卡门涡街现象中旋涡交替脱落，必然产生作用于柱体上的交变横向力，产生横向振动，并伴随声响。当其频率与旋涡脱落频率相同，便产生共振，甚至破坏。例如，风吹电线嘘嘘发响（这种鸣响是由于卡门涡街的交替脱落引起空气中压强脉动所造成的声波）；锅炉管式空气预热器中，当气流横向绕管束时，由于出现卡门涡街，引起管箱中空气的振动，当卡门涡街脱落形成的声波频率与送风机到空预间的管道腔体内气体的固有振动频率相同时，发生共振使管壁变形，纵向裂纹等。第五节绕流阻力及升力TheResistanceDragRoundABodyandLift实际物体绕流物体时，物体总受到压力及摩擦切应力的作用。合力在绕流物体的未受扰动的来流速度方向上的分量，称为阻力；而与来流方向垂直的分量，称为升力。升力产生的原因：流体绕叶型流动时，在叶型上产生一个与流动速度方向互相垂直的里，就是升力。当流体绕野性流动时，由于叶型本身不对称，在叶型的上面过流断面减小，流速增加，有能量方程可知，压力必然降低。而在叶型的下面，过流断面增大，流速降低，压力必然升高。在叶型的上下压力不相等，产生一由下向上的作用力——升力。虽然叶型对称，但对称轴与来流方向不平行，也会产生同样的结果。绕流阻力是由于流体绕流物体所引起的切向应力和物体前后的压力差造成的，因此绕流阻力可分为摩擦阻力和压差阻力。一、绕流阻力的一般分析1.摩擦阻力摩擦阻力是黏性直接作用的结果。主要依据边界层理论计算。其大小与来流速度、流体黏度、边界层状态和流体与物体接触面积等因素有关。2.压差阻力压差阻力是流体绕流物体时边界层分离带来的后果。比如流体绕圆柱体流动，在压力升高区，边界层在压力还没有恢复到原来分流点压力值之前就与圆柱体分离了，实验证明，圆柱后旋涡区的压力与分离点压力大体相同，因此，圆柱后压力低于其前驻点附近的压力，在圆柱前后产生了压力差，是圆柱体运动受到了阻碍，即产生了压差阻力。分离越早，圆柱后压力越低，圆柱后与低压接触面积越大，则压差阻力越大。机翼、细长船体等细长物体，纵向绕流几乎不发生分离，以摩擦阻力为主，可用纵向绕流平板情况的结论粗略估算。球、桥墩和汽车等钝体，有分离现象存在，压差阻力占绝大部分。其大小与物体形状和来流方向有关。阻力系数定义为AcCDD221A为物体的投影面积：①主要受压差阻力的物体，采用物体在垂直于来流速度方向的投影面积；②主要受摩擦阻力的物体，如翼型，采用物体在平行于来流方向的投影面积。以无限长圆柱体的绕流实验结果为例，说明在不同雷诺数条件下，流动现象的特点及其与阻力系数的关系。图6-14给出了沿圆柱表面的三条无因次分布曲线。无限长圆柱体有限长圆柱体平板垂直流动方向无限长圆柱体无限长方柱体椭圆形柱体流线型柱体无限长圆柱体有限长圆柱体平板垂直流动方向无限长圆柱体无限长方柱体椭圆形柱体流线型柱体①1Red范围内，无边界层，为层流流动，阻力为摩擦阻力。Re1DC②20Re3d范围内，圆柱背面形成对称驻涡。阻力有摩擦及压差阻力组成，有同等重要性。③90Re20d范围内，随Re增大，背面旋涡区逐渐扩大，对涡出现摆动。压差阻力所占比例增大。④5102Re90d范围内，背面旋涡交替脱落，形成卡门涡列，边界层内流态为层流，随Re增大，分离点向前移到迎流面，称亚临界状态。压差阻力占绝大部分。其压力分布见图6-14中的虚线。⑤5102Red范围内，随Re增大，在边界层分离前，边界层内的流态已经变为紊流流态，致使分离点后移至圆柱体背面，尾涡区变窄，物体表面压力见图6-14中的实线。压差阻力减少，称为超临界态。由图6-17可知，当55105102Re时，CD值从1.2急降到0.3。这时，虽然摩擦阻力因边界层的紊流流态而略有增加，但阻力中占绝大部分的压差阻力的减少却使总阻力下降，阻力系数CD则明显减少。边界层控制：若要减少绕流阻力，主要应设法避免或推迟边界层分离。1.不发生分离的情况下边界层应尽可能保持层流流态，以减少摩擦阻力。例如物体外形设计时，逆压区曲率减少（俗称流线型）或加此型整流罩。管内流动时，减少渐扩管道的张角，弯管的弯曲半径，或在大弯管内安装导流片等。2.分离很难避免时在分离点前设法将边界层流态转变为紊流流态，以延缓分离。由于产生分离的原因是沿流向的压强增大及动能不足，因此在压强增大处采用减压或使流动加速的措施均可消除边界层分离而降低阻力。常见方法有在物面上开槽或孔，并施以吸力使边界层紧贴到物体表面上。二、悬浮速度在流体中运动着的固体或其他颗粒，所受到的作用力除了场力以外，还受到流体的作用力，即浮力及阻力。为了研究气力输送工程中的固体颗粒，何时被气体带走；除尘设备中，尘粒何时沉降及悬浮；燃烧技术中，是层燃形式、沸腾燃烧形式还是悬浮燃烧形式；汽包中蒸汽带水等问题。绕流阻力2228121cdCAcCDsDD浮力gdBs261