四、层流边界层
流体绕物体流动时,在物体的前端或上游部分的边界层,一般是层流边界层。沿曲面的层流边界层。由于外流速度有变化,与平板有所不同,但速度分布大致类似。紧贴物面的速度梯度较大,因而剪应力也较大。物面上的剪应力为:
式中, 为流体动力粘性系数。算出了τ0,就可求出物面的摩擦阻力系数和摩擦阻力。但这些计算只能用于分离点以前。
五、湍流边界层
在自然界和工程中,运动物体(如飞机、叶栅等)表面上的流动大部分是湍流边界层。由于湍流是有涡流动,有随机的脉动,流动随空间和时间都在变化,所以湍流边界层的内部结构比层流边界层复杂得多。由于湍流内有垂直流向的动量交换,它在与壁面垂直截面上的速度分布与层流边界层的不同,下端丰满一些。
由实验数据,可把湍流边界层近似地看作由内区和外区组成。这样的分法,是因为靠近壁面的粘性剪应力与压力梯度在这两个区内是截然不同的。内区包括贴近壁面的粘性底层,其中剪应力最大,由许多小旋涡组成,向上是缓冲层,再向上直到边界层外区是大尺寸旋涡组成的动量交换较大的湍流层;外区是从这个湍流层一直到速度与外流极相近的地方。总的来说,内区占边界层全层的20%。
从湍流边界层的研究历史来看,存在着两种理论,它们分别发展又相互关联:一种是统计理论,另一种是半经验理论。
- 在统计理论中,把流体看做连续介质,把流速、压力等的脉动值看做连续的随机函数,通过各脉动值的相关函数和谱函数来描述湍流流动。按统计平均法,从中找出脉动结构,把各种平均值代入纳维—斯托克斯方程及其他方程,得出所谓雷诺方程。但统计理论主要用于研究均匀各向同性湍流,对湍流边界层流动并不适合。
- 在另一种半经验理论中,因为湍流边界层方程的数目少于未知量的数目,方程组是不封闭的,因而需要补充一些关系式。由此而产生的一些不严谨的近似理论为半经验理论,这些理论无严格的依据,但对解决工程上的许多问题很有用处。又因为其中有些系数是从实验中求出的,所以用这些半经验理论算出的结果,常与实验较吻合,但它们的适用范围有局阻性。常用的半经验理论有:J.V.布森涅斯克于1877年提出的,用涡粘性系数计算雷诺应力的公式,昔朗特的混合长理论(动量传递理论):G.I.泰勒的涡旋传递理论,卡门的相似理论等。这些半经验理论的缺点是对湍流的内部结构都没有做分析,使用范围有限。
六、边界层分离
流体流过曲面时,它的速度和压力都有变化。当流速减少时,压力必定增加。由于在边界层内的流体微团有动量损失,如遇到下游压力增加(即有逆压梯度)时,则动量再减少,直到流体微团不能再在物面上前进时就会从物面分离,这一现象叫做边界层分离。气流开始离开物面的点称为分离点。
在实验方面,测分离点位置可用模型表面的油流法、丝线法和用普雷斯顿管等。各国对分离流尤其是对二维非定常流和三维定常流中边界层分离的起始及分离点,线附近流动问题的研究愈益重视,已有一些近似理论如三层结构等,也试提出二维、三维流动的分离判据,研究正在不断深入中。