什么是边界层-定义

边界层的概念在所有流体动力学中都很重要。优德体育w88官网手机版这里显示了所有层流和湍流边界层的基本特征。优德app热能工程

边界层

一般来说,当流体流过静止表面,例如,平板,河床,或管道的墙壁,触摸表面的流体被带到休息剪应力去看墙。流动从壁面的零速度调整到主流的最大速度的区域被称为边界层.附面层的概念在粘性流体动力学和传热理论中都很重要。优德体育w88官网手机版w88优德备用网址 微博

基本特征层流和湍流边界层显示在平板上的显影流动。边界层的形成的阶段显示在下图:

平板边界层

边界层可能是,或动荡不安的取决于价值雷诺数

雷诺数惯性力量粘滞力并且是预测流动条件是层状或湍流的便捷参数。它被定义为

雷诺数

其中,V为平均流速,D为特征线性维数,ρ流体密度,μ为动态粘度,ν为运动粘度。

较低的雷诺数,边界层是层流的,当人们离开壁面时,流向的速度均匀变化,如图左侧所示。随着雷诺数的增加(用x)流量变得不稳定最后,当雷诺数较高时,边界层为紊流,边界层内流向速度为非定常(随时间变化)旋流。

从层流过渡到湍流当X超过X超过雷诺数时发生边界层再保险x〜500,000..过渡可能发生得更早,但它特别依赖于表面粗糙度.湍流边界层比层流边界层增厚更快,这是由于机体表面剪切应力增加的结果。

外部流动就像对象的物理表面一样反应到边界层的边缘。因此,边界层给出任何物体是“有效”形状,其通常与物理形状略微不同。我们定义了这一点厚度边界层作为距离壁到速度为“自由流”速度的99%的点的距离。

更令人困惑的是,边界层可能会从身体上脱落或“分离”,并创造出与实际形状大不相同的有效形状。这是因为边界中的流动具有非常低的能量(相对于自由流),并且更容易受到压力变化的驱动。

特别参考:schliching Herrmann, Gersten Klaus。边界层理论,北京大学学报(自然科学版),2000,vol . 43, no . 1, no . 2

例如:过渡层
长薄的平板平行于a1米/秒水流20°C.假设水在20℃时的运动粘度等于1×10-62/秒

什么距离X.从前沿将是过渡从层流到湍流边界层(即找到REx〜500,000)。

解决方案:

为了定位从层流到湍流边界层的过渡,我们必须找到x再保险x〜500,000.

x= 500 000 x 1×10-6[M.2/ s] / 1 [m / s] =0.5米

图表:水的粘度和密度(16MPa)

边界层厚度

我们定义了这一点厚度边界层作为距离壁到速度为“自由流”速度的99%的点的距离。为层流边界层在一个平板上Blasius解决方案流动控制方程提供:

边界层厚度 - 层

在哪里再保险x为基于板长计算的雷诺数。

对于一个湍流边界层厚度由:

边界层厚度 - 脉动

这种等式衍生出几种假设。湍流边界层厚度公式假定流动从边界层的开始是湍流。

示例:边界层厚度
考虑水流(20°C)在v =0.1米/秒通过平板1米长。计算板中间的边界层厚度。假设水在20℃时的运动粘度等于1×10-62/秒

雷诺数对于板的中间等于:

再保险L / 2.= 0.1 [m/s] x 0.5 [m] / 1×10-6[M.2/ s] =50 000

这满足了层流条件。因此,边界层厚度等于:

δ≈5.0 x 0.5 / (50 000)½0.011米

热边界层

热边界层-对流与A类似速度边界层当流体在表面上流动时产生热边界层如果本体温度和表面温度不同,必须显影。考虑在恒温的平板上的流动T.在前缘,温度曲线均匀T大部分.与板接触的流体颗粒在板表面温度下实现热平衡。此时,在表面发生能量流动纯粹的传导.这些粒子与相邻流体层中的粒子交换能量(通过传导和扩散),在流体中形成温度梯度。流体中存在这些温度梯度的区域是热边界层.它的厚度δ.t,通常定义为距离物体的距离,该距离的温度是无粘溶液温度的99%。随着距离前缘距离的增加,换热效应进一步渗透到流动中,热边界层增大。w88优德备用网址 微博

Prandtl号码 - 材料 这两个厚度(速度和热边界层)的比率由普兰特号码,定义为动量扩散率热扩散率.Prandtl数量的团结表示动量和热扩散率是可比的,并且速度和热边界层几乎相互吻合。如果Prandtl数小于1,则在标准条件下的空气情况下,热边界层比速度边界层厚。如果Prandtl号大于1,则热边界层比速度边界层更薄。室温下的空气有一个普兰特号码0.71而对于在18°C左右7.56,这意味着热扩散率比水的空气更占主导地位。

同样地仿制普朗特数,路易斯数物理上把热层和传质(浓度)边界层的相对厚度联系起来。的施密特号码物理上把速度边界层和传质(浓度)边界层的相对厚度联系起来。

Lewis号 -  Prandtl号码 - 施密特号码

其中n = 1/3在所有三个关系中大多数应用程序。通常,这些关系仅适用于层流量并不适用于湍流边界层由于这种情况下的湍流混合可以占主导地位扩散过程。

参考:
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  8. Kleinstreuer C.现代流体动力学。优德体育w88官网手机版Springer,2010,ISBN 978-1-4020-8670-0。
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  10. 白弗兰克,流体力学,麦格劳-希尔教育,第7版,2010年2月,ISBN: 978-0077422417

参见:

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