当前课程知识点：水力学 > 第8章 边界层理论基础与绕流运动 > 8.4 边界层的分离现象 > 分离现象
同学们好 今天我们来学习
边界层理论基础及绕流运动的
第四部分 边界层的分离现象
首先 我们来认识一下
什么是分离现象
大家请看一段视频
我们看到视频当中流体绕过一个圆柱体
并在圆柱体的后方形成了不同形式的旋涡
那么这种现象
我们就叫它边界层的分离现象
边界层的分离常常伴随着
旋涡的产生和能量的损失
并增加了流动的阻力
因此边界层的分离是一个
非常重要的值得研究的一个现象
下面我们就来分析边界层
分离产生的原因是什么
之前我们讲到了平板边界层
平板边界层是边界层流动
当中最简单的一种情况
因为在整个流场当中
除了边界层以内的流动之外
边界层外面的流动
它的速度和压强是处处相同的
大家请看这幅图 在边界层以内
我们说虽然各点的速度是不同的
但是从同一个固体边界上的点开始
沿着这个固体边界外法线上各点处的压强
应该与该点处边界层外面的势流的压强是相同的
因此使得平板边界层内
各点处的压强也是相同的
这也就是说沿着平板边界层
它的压力梯度也就是说dp比dx是等于零的
我们说这样的边界层就不会产生分离现象
那么反过来如果当流体绕过一个曲面以后
形成的这种曲面边界层
它的许多特性与平板边界层
将有着很大的区别
大家看流体绕过这个曲面
DEF 在曲面表面上
也同样会形成边界层
我们看在DE段流动是处在一个加速减压的过程
那将存在着一个顺压梯度
也就是说在这一段范围内
偏p比偏x是小于零的
边界层的厚度会随着流动的方向沿程缓慢增加
我们再看EF段
流动是处在一个减速增压的过程
它存在着逆压梯度
也就是说偏p比偏x是大于零的
那么边界层内的流体质点
既要受到曲面壁面的摩擦
又要受到逆压梯度的作用
在这两种力的阻滞作用下
边界层内的流速将急剧地下降
当达到曲面上某一点
比如说S点以后
那么沿着壁面的外法线方向的流速梯度将等于零
所以这一点处的切应力就为零了
那么在S点以后呢
我们说流体质点在逆压梯度的作用下
进而产生了反向的回流
这股回流与远离边壁
继续前进的流体
就形成了这样一个旋涡
使得边界层和边壁之间发生了分离
这就是边界层的分离现象
我们这里定义S点就为边界层的分离点
在分离点的上游壁面处的速度梯度是大于零的
在边界点的下游
也就是说在回流区范围内
壁面处的速度梯度是小于零的
从上面的分析当中
我们可以总结出产生边界层离体
或者是分离它是需要条件的
它的第一个条件就要求流动的方向
与压力降的方向是相反的
也就是说要存在着一个逆压梯度
第二点 它需要的条件就是粘性
要对流动起着一个阻滞的作用
也就是说必须要考虑粘性的作用
才能产生边界层的分离
那么有了边界层分离这个流动现象之后
我们看到圆柱绕流
就会形成这样的一个分离现象
而且由于在离体点以后的整个回流区范围内
它的压强是大大下降的
而离体点之前的这部分压强分布
还接近于理想流体的势流的结果
这就导致离体点之后与离体点之前压差的产生
那么产生了这个压差
就会形成压强阻力
我们也叫它形状阻力
我们这里定义一个压强系数
大家看这是它的定义式
同时我们也给出了对于一个粘性流体绕过圆柱之后
圆柱表面处它压强系数的一个分布图
大家从图当中可以发现
以圆柱的上游驻点处为零度的话
顺时针旋转那么紊流的分离点
通常是在120度这个范围内
那么在分离点之后就会形成负压区
那么将增加着流动的阻力
那么前面我们讲到的压强阻力
都是在边界层发生分离的情况下产生的
那是不是边界层不发生分离
或者是离体的情况
就不产生压强阻力呢
大家请看这样的一个翼型绕流
我们知道翼型绕流通常
这个分离是没有发生的
或者是分离的区域是非常小的
我们知道当理想流体绕过这个翼型的时候
在翼型的末端也就是说B点处
将产生一个压强的极值点
那么换过来用粘性流体绕过这一翼型的时候
我们会发现B点处的压强
以及B一撇这点处的压强
都达不到之前所说的压强极值
可见这个不发生分离的情况
同样也产生着前后的压差
那么产生这样的一个压强阻力
那么接下来我们再继续研究圆柱绕流的问题
实验发现对于一个恒定来流来说
绕过一个直径为d的圆柱体以后
在不同的来流雷诺数下
那么圆柱后方会出现不同的旋涡现象
这里我们列举几种情况
当雷诺数小于40的时候
我们发现圆柱的后方边界层
对称地在S点处发生分离
并形成一对对称的旋涡
当雷诺数在40到70范围内
我们看到圆柱的后面形成的尾流
会出现周期性的振荡
当雷诺数大于90以后
大家发现会出现一个规则
交错排列的双列线涡
我们又称它卡门涡列
当雷诺数大于300以后
这个涡列会逐渐地消失
但旋涡的产生仍然是一个周期性的
并且随着雷诺数的增加继续加大
那么周期性的振荡会消失
而变成了一个不规则的高频振动了
卡门涡列的旋涡从圆柱体上
交替地脱落到下游之后
就形成了周期性的振荡
而且这个旋涡从圆柱体上脱离的频率
我们可以用斯特劳哈尔数来表示
我们看到斯特劳哈尔数
就表示了它的频率的大小
它是由雷诺数来决定的
从柱体上下两个表面
分别脱落下来的这个旋涡
它的旋转方向是彼此相反的
同时所有的旋涡都是
以相同的速度向下游移动的
开始的时候这两列线涡是
分别保持各自的运动前进的方向
那么接着它们会相互地干扰
相互地吸引而且这种干扰会越来越大
就将形成 涡街
涡街的研究是美国的科学家冯•卡门
首先对这个问题进行研究的
后来人们就把这个涡街叫它卡门涡街
卡门同时在研究了这两列相互交错排列的
旋涡系的稳定性的同时
他提出在一般情况下
这种涡街都是不稳定的
那么只有当涡列的空间尺度达到
这样一个标准的时候
那么涡列对于小扰动才是稳定的
那么后来的实验也证明了
这个卡门所提到的这一结论
在自然界当中
我们也常常会看到卡门涡街的现象
比如说水绕过桥墩
或者是风吹过烟囱
或者是电线等等
都可能会产生卡门涡街
卡门涡街的后果是非常严重的
比如说由于在物体两侧
不断地产生新的涡街
会耗损着流动的机械能
并使得阻力也增加了
那么通常涡街会引起物体的振动
当涡街脱落的频率
接近于物体的固有频率的时候
这种共振响应就可能会引起结构物的破坏
比如说风吹过电线的时候
发生的嗡嗡响
就是由于受卡门涡街作用
而产生的强迫振动而引起的
-水力学课程介绍
--水力学课程介绍
-1.1 流动性和连续介质假设
-1.1 流动性和连续介质假设--作业
-1.2 流体的主要物理性质
--粘滞性
--压缩性
--表面张力
-1.2 流体的主要物理性质--作业
-1.3 作用在流体上的力
--作用在流体上的力
-1.3 作用在流体上的力--作业
-1.4 小结
--小结
-第1章 绪论--课后作业
-2.0 序言
--序言
-2.1 流体静压强及其特性
--静压强
-2.1 流体静压强及其特性--作业
-2.2 流体平衡微分方程
--平衡微分方程
-2.2 流体平衡微分方程--作业
-2.3 重力场中液体静压强的分布
--静压强分布
-第2章 静力学--2.3 重力场中液体静压强的分布
-2.4 作用在平面上的液体总压力
--平面上液体总压力
-第2章 静力学--2.4 作用在平面上的液体总压力
-2.5 作用在曲面上的液体总压力
--曲面上液体总压力
-第2章 静力学--2.5 作用在曲面上的液体总压力
-2.6 液体的相对平衡
--液体相对平衡
-2.6 液体的相对平衡--作业
-2.7 实验一
--实验一
-2.8 小结
--小结
-第2章 静力学--课后作业
-3.0 序言
--序言
-3.1流体运动的描述方法
-3.1流体运动的描述方法--作业
-3.2 有关流体的几个基本概念
--基本概念01
--基本概念02
-3.2 有关流体的几个基本概念--作业
-3.3 流体微团运动的分析
--微团运动分析
-第3章 流体运动学--3.3 流体微团运动的分析
-3.4 连续性方程
--连续方程
-3.4 连续性方程--作业
-3.5 小结
--小结
-第3章 流体运动学--课后作业
-4.0 序言
--序言
-4.1 运动流体的应力状态
--应力状态
-第4章 流体动力学基础--4.1 运动流体的应力状态
-4.2 流体运动微分方程
--微分方程
-第4章 流体动力学基础--4.2 流体运动微分方程
-4.3 理想流体恒定元流的能量方程
-第4章 流体动力学基础--4.3 理想流体恒定元流的能量方程
-4.4 恒定总流的能量方程
-4.4 恒定总流的能量方程--作业
-4.5 恒定总流的动量方程
--恒定总流动量方程
-4.5 恒定总流的动量方程--作业
-4.6 实验二、实验三
--实验二
--实验三
-4.7 小结
--小结
-第4章 流体动力学基础--课后作业
-5.1 有旋流动
--有旋流动1
--有旋流动2
-第5章 有旋流动和有势流动--5.1 有旋流动
-5.2 有势流动
--有势流动
--有势流动2
-第5章 有旋流动和有势流动--5.2 有势流动
-5.3 平面势流及势流叠加原理
-5.3 平面势流及势流叠加原理--作业
-5.4 小结
--小结
-课后作业--作业
-6.0 序言
--序言
-6.1 流动阻力和能量损失的两种形式
-6.1 流动阻力和能量损失的两种形式--作业
-6.2 粘性流体的两种状态
-6.2 粘性流体的两种状态--作业
-6.3 沿程损失与切应力之间的关系
--沿程损失与切应力
-6.3 沿程损失与切应力之间的关系--作业
-6.4 圆管中的层流运动
--圆管中的层流
-6.4 圆管中的层流运动--作业
-6.5 紊流运动简介
--紊流运动简介1
--紊流运动简介2
-6.5 紊流运动简介--作业
-6.6 紊流沿程损失的分析与计算
--紊流沿程损失
-6.6 紊流沿程损失的分析与计算--作业
-6.7 管流的局部损失
--管流的局部损失
-6.7 管流的局部损失--作业
-6.8 实验四、实验五
-6.9 小结
--小结
-第6章 流动阻力和能量损失--课后作业
-7.0 序言
--序言
-7.1 量纲和谐原理
--量纲和谐原理
-7.1 量纲和谐原理--作业
-7.2 量纲分析法
--量纲分析法
-第7章 量纲分析和相似原理--7.2 量纲分析法
-7.3 流动相似原理
--流动相似原理
-7.3 流动相似原理--作业
-7.4 模型试验
--模型试验
-第7章 量纲分析和相似原理--7.4 模型试验
-7.5 小结
--小结
-课后作业--作业
-8.0 序言
--序言
-8.1 边界层的基本概念
--基本概念1
--基本概念2
-8.1 边界层的基本概念--作业
-8.2 边界层微分方程
--微分方程
-8.2 边界层微分方程--作业
-8.3 边界层的动量积分方程
--动量积分方程
-8.3 边界层的动量积分方程--作业
-8.4 边界层的分离现象
--分离现象
-8.4 边界层的分离现象--作业
-8.5 绕流阻力
--绕流阻力
-第8章 边界层理论基础与绕流运动--8.5 绕流阻力
-8.6 小结
--小结
-课后作业--作业
-9.0 序言
--序言
-9.1 孔口出流
--孔口出流
-9.1 孔口出流--作业
-9.2 管嘴出流
--管嘴出流
-第9章 孔口、管嘴出流有压管流--9.2 管嘴出流
-9.3 简单管道的恒定有压流
--管道恒定有压流1
--管道恒定有压流2
-第9章 孔口、管嘴出流有压管流--9.3 简单管道的恒定有压流
-9.4 简单长管的恒定有压流
-第9章 --9.4 简单长管的恒定有压流
-9.5 复杂长管的恒定有压流
-9.5 复杂长管的恒定有压流--作业
-9.6 管网中的恒定有压流计算基础
--管网恒定有压流
-第9章 --9.6 管网中的恒定有压流计算基础
-9.7 非恒定有压管流
--非恒定有压管流1
--非恒定有压管流2
-9.7 非恒定有压管流--作业
-9.8 小结
--小结
-第9章 孔口、管嘴出流有压管流--课后作业
-1.判断题--作业
-期末考试--2.填空题
-3.单项选择题--作业
-4.多项选择题--作业
