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流体力学

掠过表面的流动会形成一层薄薄的边界层

无滑移使速度从壁面 0 长到自由来流 U∞ 的薄层 δ,δ ∝ √x (δ/x = 5/√Rex),层流→湍流,壁面梯度 du/dy 定 τw

再快的河水,紧贴河床上方也几乎静止。为了看清贴着表面、速度从 0 长到自由来流的这层薄层,拖动平板上流动的自由来流速度。

本在平板上方均匀流动的流,靠近壁面时因无滑移速度减到 0。远处仍是自由来流速度 U∞,但贴壁处箭头变短、弯到 0。这条速度从 0 变到 U∞ 的薄带就是边界层,它的厚度叫 δ。拖动自由速度 U∞,外侧箭头整体变大,可在壁面始终是 0。

边界层从前缘(leading edge)开始,越往下游越厚,因为壁面把越来越多的层拉慢。拖动测量位置 x,边界层边缘曲线像 √x 一样鼓起来。前端薄如刀刃,越往后越慢地变厚。

边界层也是先层流,到某处转成湍流。用按钮比较。层流边界层薄而光滑、长得慢;湍流边界层剧烈混合、更厚,贴壁处更饱满(鼓)。一旦越过临界 Rex,转捩就发生。

把贴壁处放大看。速度在壁面是 0,但从这个 0 往上爬的斜率 du/dy 决定了壁面受的摩擦——表面剪应力(壁面剪切)τw = μ (du/dy)|wall。拖动自由速度 U∞,贴壁斜率变陡,τw 变大。这些表面摩擦汇总起来,就成了物体所受阻力的一部分。

层流边界层的厚度遵循一个干净的式子:δx = 5√Rex,即 δ ≈ 5x√Rex。局部雷诺数 Rex = U∞ xν 越大,边界层(相对)越薄。拖动 Rexδx1√Rex 减小。所以又快又大的流动,贴在表面的层就越薄;飞机机翼、高尔夫球、船体的设计都建立在这之上。下一讲我们顺着这层边界层如何剥离、产生阻力讲下去。

实际应用总结一下:流动掠过表面时,无滑移把壁面速度钉在 0,其上长出一层薄边界层,速度在其中爬到自由来流 U∞。厚度 δ 在前缘从 0 开始,沿下游像 √x 一样增长,先层流,到临界 Rex 转成湍流,变得更厚更饱满。壁面速度梯度 du/dy 决定表面剪应力 τw = μ(du/dy)|wall,这是摩擦阻力的根源。层流厚度为 δx = 5√Rex(布拉修斯)。下一讲我们接着讲边界层剥离与阻力。
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