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1、第三节 流体流动的内摩擦力一、流体的流动类型一、流体的流动类型一、流体的流动类型一、流体的流动类型性性性性力力力力和和和和粘粘粘粘性性性性力力力力之之之之比比比比的的的的一一一一个个个个量量量量纲纲为为1 1的的的的数数数数，即即即即雷雷雷雷诺诺数数数数。对对于于于于几几几几何何何何条条条条件件件件相相相相似似似似的的的的流流流流动动，即即即即使使使使它它它它们们的的的的速速速速度度度度、流流流流体体体体不不不不同同同同，只只只只要要要要雷雷雷雷诺诺数数数数相相相相同同同同，则则这这个个个个流流流流动动动动力力力力相相相相似似似似。1851年年斯斯托托克克斯斯已已认识到到这个个比比数数的的重重
2、要要性性，1883年年雷雷诺通通过管管道道中中的的实验,阐明明了了这个个数数是是作作用用。在在雷雷诺以以后后，分分析析有有关关的的雷雷诺数数成成为研研究究流流体体流流动，特特别是是层流流向向湍湍流流过度度的的一一个个标准步准步骤。雷雷诺(18421912)，德国物理学家，生于北德国物理学家，生于北爱尔兰，曼，曼彻斯特欧文学院工程学教授，斯特欧文学院工程学教授，皇家学会会皇家学会会员，1888年年获皇家皇家奖章。章。雷雷雷雷诺诺在在在在流流流流体体体体力力力力学学学学方方方方面面面面最最最最主主主主要要要要的的的的贡贡献献献献是是是是发发现现流流流流动动的相似律，他引入表征流的相似律，他引入表征
3、流的相似律，他引入表征流的相似律，他引入表征流动动中流体中流体中流体中流体惯惯一、流体的流动类型一、流体的流动类型1、两种流型层流和湍流两种流型层流和湍流将将水水箱箱A注注满满水水，利利用用溢溢水水管管H保保持持水水箱箱中中的的水水位位恒恒定定，然然后后微微微微打打开开玻玻璃璃管管末末端端的的调调节节阀阀C，水水流流以以很很小小速速度度沿沿玻玻璃璃管管流流出出。再再打打开开颜颜色色水水瓶瓶D上上的的小小阀阀K，使使颜颜色色水水沿沿细细管管E流流入入玻玻璃璃管管B中。中。(1)雷诺实验雷诺实验第三节 流体流动的内摩擦力 水水流流速速从从小小到到大大，有有色色液液体体变变化化如如图图所所示示。实实
4、验验表表明明，流流体体在在管管道道中中流流动动存存在在两两种种截截然然不不同同的流型。的流型。水流速增大到某一数值时颜色水的直线流开始振荡，发生水流速增大到某一数值时颜色水的直线流开始振荡，发生弯曲，图弯曲，图(b)所示。所示。湍湍流流（或或紊紊流流）：如如图图(c)所所示示，当当水水流流速速增增大大到到一一定定程程度度，弯弯曲曲颜颜色色水水流流破破裂裂成成非非常常紊紊乱乱的的状状态态，流流体体质质点点除除了了沿沿管管轴轴方方向向向向前前流流动动外外，还还有有径径向向脉脉动动，各各质质点点的的速速度度在在大大小小和方向上都随时变化，质点互相碰和方向上都随时变化，质点互相碰 撞和混合。撞和混合。
5、特点：特点：脉动（非稳态流动）脉动（非稳态流动）层层流流(或或滞滞流流)：图图(a)水水流流很很小小时时管管中中颜颜色色水水质质点点仅仅沿沿着着与与管管轴轴平平行行的的方方向向作作直直线线运运动动，质质点点无无径向脉动，质点之间互不混合。径向脉动，质点之间互不混合。(2)流型判据流型判据雷雷诺诺数数 流体的流流体的流动类动类型可用雷型可用雷诺诺数数Re判断。判断。无量纲数无量纲数流体密度流体密度流体粘度，读法：流体粘度，读法：缪缪特征流速特征流速管径管径雷雷诺诺数数计算计算Re时，各个物理量的时，各个物理量的单位必须统一单位必须统一。（1）Re2000，流动为层流，此区称为层流区；，流动为层流
6、，此区称为层流区；（2）Re4000，一般出现湍流，此区称为湍流区；，一般出现湍流，此区称为湍流区；（3）2000 Re 4000国际单位制中粘度单位是国际单位制中粘度单位是Pas（帕（帕秒）。在秒）。在【厘米厘米克克秒秒】单位制，其单位是单位制，其单位是P（泊）或（泊）或cP（厘泊）。（厘泊）。换算关系为换算关系为1 Pas=10P=1000cP（3）层流与湍流的比较）层流与湍流的比较 A.流体内部质点运动方式流体内部质点运动方式层流层流:流体流体沿管轴分层流动沿管轴分层流动、层间互不掺混、层间互不掺混(稳态流动稳态流动)湍流湍流:流体做平动时，还做流体做平动时，还做随机的脉动随机的脉动(非
7、稳态流动非稳态流动)B.流体在圆管内速度分布流体在圆管内速度分布速速度度分分布布：流流体体在在管管内内流流动动时时截截面面上上质质点点的的速速度度随随半半径径的的变变化化关关系系。无无论论是是层层流流还还是是湍湍流流，管管壁壁处处质质点点速速度度均均为为零零，越越靠靠近近管管中中心心流流速速越越大大，管管中中心心处处速度最大，但两种流型的速度分布却不相同。速度最大，但两种流型的速度分布却不相同。层流：层流：抛物线分布，抛物线分布，u=0.5umax湍流：湍流：非抛物线分布，非抛物线分布，u0.82umax（一）牛顿粘性定律二、流体流动的内摩擦力二、流体流动的内摩擦力流体流体典型特征是典型特征是
8、具有流动性，具有流动性，但但不同流体不同流体的的流动性能不同，？流动性能不同，？流体的粘性流体的粘性是流体抵抗剪切形变的一种属性。是流体抵抗剪切形变的一种属性。根根据流体力学的特点，静止的流体不能承受据流体力学的特点，静止的流体不能承受剪切力剪切力，即，即在任何微小剪切力的持续作用下，流体要发生连续不在任何微小剪切力的持续作用下，流体要发生连续不断地形变。不同流体在相同的剪切力作用下其形变速断地形变。不同流体在相同的剪切力作用下其形变速度不同，它反映了抵抗剪切形变能力的差别，这种能度不同，它反映了抵抗剪切形变能力的差别，这种能力就是流体的粘性。力就是流体的粘性。粘粘性性是是流流动动性性的的反反
9、面面，流流体体的的粘粘性性越越大大，其其流流动性越小。流体的粘性是流体产生流动阻力的根源。动性越小。流体的粘性是流体产生流动阻力的根源。1、流体的粘性流体的粘性2、流体流动的内摩擦力、流体流动的内摩擦力若若u较较小小，则则两两板板间间液液体体会会分分成成无无数数平平行行的的薄薄层层运运动动，粘粘附附在在上上板板底底面面的的一一薄薄层层流流体体以以速速度度u随随上上板板运运动动，其其下下各各层层液液体体的的速速度度依依次次降降低低，紧紧贴贴在在下下板板表表面面的的一一层层液体速度为零，两平板之间的流速呈线性变化。液体速度为零，两平板之间的流速呈线性变化。对对相相邻邻两两层层流流体体来来说说，上上
10、层层速速度度大大，下下层层速速度度小小，前前者者对对后后者者起起带带动动作作用用，而而后后者者对对前前者者起起拖拖曳曳作作用用，流流体体层层之之间间的的这这种种相相互互作作用用即即是是内内摩摩擦擦力力，流流体体的的粘粘性性正是这种内摩擦力的表现。正是这种内摩擦力的表现。两两块块面面积积很很大大且且相相距距很很近近平平行行板板，板板间间充充满满静静止止液液体体。下下板板固固定定，对对上上板板施施加加恒恒定定外外力力 F，上上板板以以速速度度 u 沿沿 x方向运动。方向运动。3、牛顿粘性定律牛顿粘性定律(3.2.2)实实验验证证明明，流流体体的的内内摩摩擦擦力力F与与两两层层流流体体的的速速度度差
11、差du成成正正比比，与与两两层层间间的的垂垂直直距距离离dy成成反反比比，与与两两层层间间的接触面积的接触面积A成正比，成正比，即即式中：式中：F内摩擦力，内摩擦力，N；法向速度梯度，即在与流体流法向速度梯度，即在与流体流动动方向相垂直的方向相垂直的y方向流体方向流体 速度的速度的变变化率，化率，1/s；比例系数，称为流体粘度或动力粘度，比例系数，称为流体粘度或动力粘度，Pas。单位面积上的内摩擦力称为剪应力，以单位面积上的内摩擦力称为剪应力，以 表示表示，单位为单位为Pa，则上式变为：，则上式变为：负号表示剪应力的方向与速度梯度的方向相反负号表示剪应力的方向与速度梯度的方向相反(3.2.3)
12、牛顿粘性定律指出：相邻流体层之间的剪应力，即流牛顿粘性定律指出：相邻流体层之间的剪应力，即流体流动时的内摩擦力体流动时的内摩擦力 与该处垂直于流动方向的速度梯与该处垂直于流动方向的速度梯度度du/dy成正比。成正比。(二二)流体的粘度流体的粘度1、粘粘度度的的物物理理意意义义：流流体体流流动动时时在在与与流流动动方方向向垂垂直直的的方方向向上上产产生生单单位位速速度度梯梯度度所所需需的的剪剪应应力力。粘粘度度是是反反映映流流体体粘粘性性大大小小的的物物理理量量。粘粘度度总总是是与与速速度度梯梯度度相相联联系，系，只有在运动时才显现出来。只有在运动时才显现出来。(3.2.4)粘度也是流体的物性之
13、一，其值由实验测定。粘度也是流体的物性之一，其值由实验测定。（1 1）液体粘度随温度升高而减小，压力对其影响可忽略不计。）液体粘度随温度升高而减小，压力对其影响可忽略不计。2、粘度的影响因素：粘度的影响因素：（2 2）气体的粘度随温度的升高而增大，一般情况下也可忽略压）气体的粘度随温度的升高而增大，一般情况下也可忽略压 力的影响，但在极高或极低的压力条件下需考虑其影响。力的影响，但在极高或极低的压力条件下需考虑其影响。液体和气体的粘性随温度变化不同的原因液体和气体的粘性随温度变化不同的原因:分子间的吸引力是构成液体粘性的主要因素，温度升高，分子分子间的吸引力是构成液体粘性的主要因素，温度升高，
14、分子间吸引力减小，液体的粘性降低；间吸引力减小，液体的粘性降低；构成气体粘性的主要因素是气体分子作不规则热运动时，在不同构成气体粘性的主要因素是气体分子作不规则热运动时，在不同速度分子层间进行动量交换。温度越高，气体分子热运动越强烈，动速度分子层间进行动量交换。温度越高，气体分子热运动越强烈，动量交换就越频繁，气体的粘性也就越大。量交换就越频繁，气体的粘性也就越大。3、粘度、粘度单单位位 国国际单际单位位 在工程手册中，粘度的单位常用物理单位制的在工程手册中，粘度的单位常用物理单位制的cP（厘（厘泊）表示，它们的换算关系：泊）表示，它们的换算关系：1cP10-3 Pas 4、运动粘度、运动粘度
15、流体的粘性还可用粘度流体的粘性还可用粘度流体的粘性还可用粘度流体的粘性还可用粘度 与密度与密度与密度与密度 的比值表示，称为的比值表示，称为的比值表示，称为的比值表示，称为运动粘度，以符号运动粘度，以符号运动粘度，以符号运动粘度，以符号 表示（读法：表示（读法：表示（读法：表示（读法：纽纽纽纽），即），即），即），即单位为单位为单位为单位为mm2 2/s/s。运动粘度也是流体的物理性质。运动粘度也是流体的物理性质。运动粘度也是流体的物理性质。运动粘度也是流体的物理性质。牛顿流体：牛顿流体：气体和大多数低相对分子质量的液体。气体和大多数低相对分子质量的液体。(三)流体类别（课本p62-64，看书
16、2分钟）流体理想流体，=0实际流体，0牛顿流体非牛顿流体假塑性流体胀塑性流体粘塑性流体非牛顿流体：非牛顿流体：泥浆、聚合物等高粘度的液体。泥浆、聚合物等高粘度的液体。p 层流流动层流流动：基本特征是基本特征是分层流动分层流动，表现为各层之，表现为各层之间的相互影响和作用较小，剪应力主要是间的相互影响和作用较小，剪应力主要是由分子运由分子运动引起的动引起的。服从牛顿粘性定律服从牛顿粘性定律p 湍流流动：湍流流动：存在流体质点的随机脉动存在流体质点的随机脉动，流体之间，流体之间相互影响较大，剪应力相互影响较大，剪应力除了由分子运动引起外，还由除了由分子运动引起外，还由质点脉动引起。质点脉动引起。(
17、四四)流态对剪应力的影响流态对剪应力的影响质点脉动引起的剪应力 用平均速度表示的垂直于流动方向的速度梯度质点脉动引起的动力粘性系数涡流粘度总的剪应力为总的剪应力为总的剪应力为总的剪应力为 有效动力粘度（1 1）简述层流和湍流的流态特征。）简述层流和湍流的流态特征。（2 2）什么是）什么是“内摩擦力内摩擦力”？简述不同流态流体中？简述不同流态流体中“内摩擦力内摩擦力”的产生机理。的产生机理。（3 3）流体流动时产生阻力的根本原因是什么？）流体流动时产生阻力的根本原因是什么？（4 4）什么情况下可用牛顿粘性定律计算剪应力？）什么情况下可用牛顿粘性定律计算剪应力？牛顿型流体有哪些？牛顿型流体有哪些？
18、（5 5）简述温度和压力对液体和气体粘度的影响。）简述温度和压力对液体和气体粘度的影响。思考题思考题主要内容主要内容一、边界层理论的概念一、边界层理论的概念二、边界层的形成过程二、边界层的形成过程三、边界层的分离三、边界层的分离第四节 边界层理论yFuu=0速度分布 实际流体的流动具有实际流体的流动具有两个基本特征两个基本特征：(1)(1)流体流过壁面，壁面处存在摩擦力流体流过壁面，壁面处存在摩擦力，流体与壁面相，流体与壁面相 对速度为对速度为0 0，这一特征称为流动，这一特征称为流动无滑移无滑移(粘附粘附)特征特征(2)(2)当流体之间发生相对运动时，流体之间存在当流体之间发生相对运动时，流
19、体之间存在内摩内摩 擦力，擦力，在壁面附近形成速度分布。在壁面附近形成速度分布。存在速度梯度的区域即为边界层。存在速度梯度的区域即为边界层。将将u=0.99u0时流体时流体层厚度定义为边界层厚度，用层厚度定义为边界层厚度，用(德尔塔德尔塔)表示。表示。存在速度梯度存在速度梯度u0 1904年，普兰德提出“边界层”概念，认为即使空气、水粘性很低的流体，粘性也不能忽略，但其影响仅限于壁面附近的薄层，即边界层，离开表面较远的区域，则可视为理想流体。边界层理想流体受阻受阻减速减速无滑移无滑移u0yx一、边界层的形成一、边界层的形成 （3 3）边界层内边界层内粘性力可达到很高的数值，它所起作用粘性力可达
20、到很高的数值，它所起作用 与惯性力同等重要，与惯性力同等重要，流动阻力发生在边界层内流动阻力发生在边界层内；普兰德边界层理论要点：普兰德边界层理论要点：（1 1）实际流体沿固体壁面流动，紧贴壁面处存在非常）实际流体沿固体壁面流动，紧贴壁面处存在非常薄的一层区域薄的一层区域边界层边界层；（2 2）边界层内流体的）边界层内流体的流速很小流速很小，但，但速度梯度很大速度梯度很大；（4 4）边界层外的外部流动区域，法向速度梯度小，粘性）边界层外的外部流动区域，法向速度梯度小，粘性力可忽略，近似看成力可忽略，近似看成理想流体的流动理想流体的流动。（5 5）流动分为）流动分为两个区域两个区域粘性流体运动区
21、粘性流体运动区理想流体运动理想流体运动区区1、流体在平板上的流动边界层流体在平板上的流动边界层二、边界层的发展二、边界层的发展 1、流体在平板上的流动边界层流体在平板上的流动边界层分界面分界面u=0.99u0u=0.99u0边界层边界层的厚度的厚度x随着流体向下游流动，即随着流体向下游流动，即x增大，沿壁面法向有更多增大，沿壁面法向有更多的流体被滞留，致使边界层不断增厚。的流体被滞留，致使边界层不断增厚。二、边界层的发展 速度梯度减小速度梯度减小,粘性力粘性力下降下降,扰动迅速发展扰动迅速发展层流边界层层流边界层湍流边界层湍流边界层过渡区过渡区速度梯度大速度梯度大粘性力大粘性力大临界距离临界距
22、离湍流层湍流层过度层过度层层流区与湍流区之间有一个层流区与湍流区之间有一个过渡区过渡区(过渡区和湍流边界层界限不易确定过渡区和湍流边界层界限不易确定)。厚度突然增加厚度突然增加从平板前缘到从平板前缘到xc之间，流体流动为层流，该区称为之间，流体流动为层流，该区称为层流边界层层流边界层。在在xc点点后，边界层内的流动由层流变为湍流。该区称为后，边界层内的流动由层流变为湍流。该区称为湍流边界层。湍流边界层。湍流边界层内近壁处一薄层，无论边界层内的流型为层流或湍流，其流型湍流边界层内近壁处一薄层，无论边界层内的流型为层流或湍流，其流型均为层流，称为均为层流，称为层流底层；层流底层；远离壁面的流体为湍
23、流，称为远离壁面的流体为湍流，称为湍流层湍流层(中心中心)；层流底层和湍流层之间为层流底层和湍流层之间为过度过度(缓冲缓冲)层。层。层流底层层流底层层流底层过渡层管壁管壁湍流区放大图湍流层xc临界距离，与壁面粗糙度、平板前缘的形状、流体临界距离，与壁面粗糙度、平板前缘的形状、流体性质和流速有关，壁面越粗糙，前缘越钝，性质和流速有关，壁面越粗糙，前缘越钝，xc越短。越短。流型转变时的流型转变时的临界雷诺数临界雷诺数对于平板，对于平板，Rexc 2105 层流层流 Rexc 3106 湍流湍流 2105 Rexc 3106 处于过渡状态处于过渡状态(1)边界层内的流型判别边界层内的流型判别流体主体
24、速度流体主体速度临界雷诺数：临界雷诺数：Rexc=5105 对于层流边界层对于层流边界层(Rexc 2105）为以坐标为以坐标x为特征长度的雷诺数为特征长度的雷诺数当地雷诺数。当地雷诺数。对于湍流边界层对于湍流边界层(Rexc 3106)(2)(2)边界层厚度边界层厚度(3.3.1)(3.3.2)可见：可见：Rex，则，则；如流体的物性如流体的物性(、)为定值：为定值：u0，则，则。通通常常边边界界层层厚厚度度为为10-3m量量级级，流流动动边边界界层层内内特特别别是是层层流流底底层层内内，集集中中了了绝绝大大部部分分的的传传递递阻阻力力。尽尽管管边边界界层层厚厚度度很很小小，但但对对研研究究
25、流流体体的的流流动动阻阻力力、传传热热和和传传质质速速率有着非常重要的意义。率有着非常重要的意义。工程上减少边界层厚度的方法：工程上减少边界层厚度的方法：适适当当增增大大流流速速，使使其其呈呈湍湍流流状状态态，降降低低边边界界层层中中层层流部分的厚度，强化传热和传质；流部分的厚度，强化传热和传质；在在流流道道内内壁壁做做矩矩形形槽槽，或或在在管管内内壁壁放放置置翅翅片片，破破坏坏边界层的形成，边界层的形成，减少传热和传质阻力。减少传热和传质阻力。2 2、圆管内流动的边界层、圆管内流动的边界层流动全部被固体边界所约束 2 2、圆管内流动的边界层、圆管内流动的边界层le边界层边界层充分发展的流动充
26、分发展的流动进口段流动进口段流动B.B.随着向前流随着向前流随着向前流随着向前流动，动，动，动，边界层厚边界层厚边界层厚边界层厚度不断增加，度不断增加，度不断增加，度不断增加，边界层速度边界层速度边界层速度边界层速度u u，而中心而中心而中心而中心u u。流动由两部分组成：。流动由两部分组成：。流动由两部分组成：。流动由两部分组成：A.A.流体进入管流体进入管流体进入管流体进入管口后在近壁面口后在近壁面口后在近壁面口后在近壁面形成边界层。形成边界层。形成边界层。形成边界层。(1)(1)圆管内流动的边界层形成圆管内流动的边界层形成C.C.在距管口在距管口在距管口在距管口 l le e 处，处，处
27、，处，边界层在管中心线汇合边界层在管中心线汇合边界层在管中心线汇合边界层在管中心线汇合 (=d/2)=d/2)，占据整个圆，占据整个圆，占据整个圆，占据整个圆管截面，此管截面，此管截面，此管截面，此后速度分布不再变化后速度分布不再变化后速度分布不再变化后速度分布不再变化称为称为称为称为充分发展了的流动充分发展了的流动充分发展了的流动充分发展了的流动；在；在；在；在此之前称为此之前称为此之前称为此之前称为进口段流动，进口段流动，进口段流动，进口段流动，l le e 称为进口段长度称为进口段长度称为进口段长度称为进口段长度。环状边界层区域环状边界层区域核心区核心区充分发展段环状边界层 管内边界层的
28、形成和发展有两种形式：管内边界层的形成和发展有两种形式：当当u0较小较小，边界层在管中心汇合时，边界层在管中心汇合时，边界层是层流边界层是层流，以后充分发展段则以后充分发展段则保持层流流动，保持层流流动，速度分布呈抛物线形。速度分布呈抛物线形。抛物线形速度分布抛物线形速度分布 层流流动层流流动当当u0较大较大，边界层在管中心汇合时，边界层在管中心汇合时，边界层边界层流动若已流动若已经经发展为湍流发展为湍流，则其，则其下游下游的流动的流动也为也为湍流，湍流，速度分布速度分布不是抛物线形状。不是抛物线形状。在管内的湍流边界层和充分发展的湍流流动中，径向在管内的湍流边界层和充分发展的湍流流动中，径向
29、也存在着也存在着三层流体三层流体，即，即层流底层、缓冲层和湍流中心层流底层、缓冲层和湍流中心。环状边界层核心区充分发展段进口段湍流流动湍流流动边界层为湍流边界层为湍流缓冲层缓冲层层流底层层流底层湍流中心湍流中心判别流动形态的雷诺数定义为判别流动形态的雷诺数定义为A.充分发展段边界层厚度等于管半径，且不再改变。充分发展段边界层厚度等于管半径，且不再改变。B.湍流时圆管内层流底层的厚度，当当当Re 2000时，管内流动维持层流。时，管内流动维持层流。(2)边界层厚度边界层厚度(3.3.3)（3）进口段长度）进口段长度进口段附近摩擦系数最大进口段附近摩擦系数最大，其后沿流动方向平缓减少，其后沿流动方
30、向平缓减少，趋于流动充分发展后的不变值。因此实际工程中区分趋于流动充分发展后的不变值。因此实际工程中区分进口段是非常重要的。进口段是非常重要的。进口段长度用le表示。无量纲进口段长度 是雷诺数的函数B.B.湍流：湍流：湍流：湍流：l le e(湍流湍流湍流湍流)l le e(层流层流层流层流)目前尚无适当的计算公式，目前尚无适当的计算公式，目前尚无适当的计算公式，目前尚无适当的计算公式，通常也可以取通常也可以取通常也可以取通常也可以取 (4050)(4050)d d。A.层流：可按下式估算层流：可按下式估算通常也可以取通常也可以取(50100)d。注意注意:管内进口段流速不稳定，管内进口段流速
31、不稳定，安装测量仪表安装测量仪表应在充分应在充分发展了的流动之后，一发展了的流动之后，一 般般取取x=(5060)d。三、边界层分离三、边界层分离三、边界层分离三、边界层分离 流流体体流流过过平平板板或或在在圆圆管管内内流流动动时时，流流动动边边界界层层紧紧贴贴在在壁壁面面上上。而而流流体体流流过过曲曲面面，如如球球体体或或圆圆柱柱体体时时，则则往往往往会会出出现现边边界界层层与与固固体体表表面面的的脱脱离离现现象象，并并在在脱脱离离处处产产生生漩漩涡涡，流流体体质质点点的的碰碰撞撞加加剧剧，导导致致流流体体的的能能量大量损失，这种现象称为量大量损失，这种现象称为边界层分离边界层分离。边界层与
32、固体壁面相脱离边界层与固体壁面相脱离边界层与固体壁面相脱离边界层与固体壁面相脱离 边界层分离边界层分离边界层分离边界层分离尾流区尾流区1 1 1 1、边界层的分离现象、边界层的分离现象、边界层的分离现象、边界层的分离现象 不同流速的同种流体绕过同一曲面（钝体）时的情况：不同流速的同种流体绕过同一曲面（钝体）时的情况：不同流速的同种流体绕过同一曲面（钝体）时的情况：不同流速的同种流体绕过同一曲面（钝体）时的情况：随着流速增大，边界层的分离现象越来越明显，随着流速增大，边界层的分离现象越来越明显，边界层边界层与固体壁面脱离后倒流及产生的漩涡越来越剧烈，导致与固体壁面脱离后倒流及产生的漩涡越来越剧烈
33、，导致流体的能量大量损失。流体的能量大量损失。流道断面变化流道断面变化流速变化流速变化压强变化压强变化2、边界分离过程、边界分离过程DF以下：在逆压强梯度的推动下形成倒流以下：在逆压强梯度的推动下形成倒流,产生大量旋涡产生大量旋涡分离点 逆压区顺压区AC：过流断面缩小过流断面缩小,加速减压加速减压,惯性力与压强差克服粘性力惯性力与压强差克服粘性力CD：过流断面过流断面增加增加,减速增压减速增压,惯性力克服粘性力和逆压强惯性力克服粘性力和逆压强D点：物体表面流体质点在逆压梯度和粘性剪应力作用下点：物体表面流体质点在逆压梯度和粘性剪应力作用下,速度降为速度降为0DF以上：分离的边界层以上：分离的边
34、界层尾流区流流体体流流过过管管束束情情形形 流体具有粘性流体具有粘性流体具有粘性流体具有粘性 流道扩大，流动过程中存在逆压梯度流道扩大，流动过程中存在逆压梯度流道扩大，流动过程中存在逆压梯度流道扩大，流动过程中存在逆压梯度3 3、边界层分离的必要条件边界层分离的必要条件边界层分离的必要条件边界层分离的必要条件 产生大量旋涡；产生大量旋涡；产生大量旋涡；产生大量旋涡；造成较大的能量损失。造成较大的能量损失。造成较大的能量损失。造成较大的能量损失。4 4、边边边边界界界界层层层层分离的后果：分离的后果：分离的后果：分离的后果：分离点越靠前，漩涡区越大，形体阻力越大，分离点越靠前，漩涡区越大，形体阻
35、力越大，分离点越靠前，漩涡区越大，形体阻力越大，分离点越靠前，漩涡区越大，形体阻力越大，分离点靠后，漩涡区变小，形体阻力则小分离点靠后，漩涡区变小，形体阻力则小分离点靠后，漩涡区变小，形体阻力则小分离点靠后，漩涡区变小，形体阻力则小边界层分离边界层分离形体阻力：形体阻力：物体前后压强差引起的阻力物体前后压强差引起的阻力形成湍流边界层时，形体阻力大还是小形成湍流边界层时，形体阻力大还是小?较小较小因为分离点靠后，尾流较小因为分离点靠后，尾流较小是产生是产生形体阻力形体阻力的主要原因的主要原因。形成尾流区形成尾流区 形体阻力增加形体阻力增加(1)(1)什么是流动边界层？边界层理论的要点是什么？什么
36、是流动边界层？边界层理论的要点是什么？什么是流动边界层？边界层理论的要点是什么？什么是流动边界层？边界层理论的要点是什么？(2)(2)简述湍流边界层内的流态，及流速分布和阻力特征。简述湍流边界层内的流态，及流速分布和阻力特征。简述湍流边界层内的流态，及流速分布和阻力特征。简述湍流边界层内的流态，及流速分布和阻力特征。(3)(3)边界层厚度是如何定义的？简述影响平壁边界层厚度边界层厚度是如何定义的？简述影响平壁边界层厚度边界层厚度是如何定义的？简述影响平壁边界层厚度边界层厚度是如何定义的？简述影响平壁边界层厚度的因素。的因素。的因素。的因素。(4)(4)为什么管道进口段附近的摩擦系数最大？为什么
37、管道进口段附近的摩擦系数最大？为什么管道进口段附近的摩擦系数最大？为什么管道进口段附近的摩擦系数最大？(5)(5)简述边界层分离的条件和过程。流体沿平壁面的流动简述边界层分离的条件和过程。流体沿平壁面的流动简述边界层分离的条件和过程。流体沿平壁面的流动简述边界层分离的条件和过程。流体沿平壁面的流动和理想流体绕过圆柱体流动时是否会发生边界层分离和理想流体绕过圆柱体流动时是否会发生边界层分离和理想流体绕过圆柱体流动时是否会发生边界层分离和理想流体绕过圆柱体流动时是否会发生边界层分离？(6)(6)相同逆压梯度下，层流边界层和湍流边界层哪个更容相同逆压梯度下，层流边界层和湍流边界层哪个更容相同逆压梯度下，层流边界层和湍流边界层哪个更容相同逆压梯度下，层流边界层和湍流边界层哪个更容易发生分离？易发生分离？易发生分离？易发生分离？形成湍流边界层时，形体阻力大还是小形成湍流边界层时，形体阻力大还是小形成湍流边界层时，形体阻力大还是小形成湍流边界层时，形体阻力大还是小?思考题思考题