当前课程知识点：流体力学 > 第2单元 粘性流体动力学基础 > 2.10 边界层分离及减阻 > 边界层分离及减阻
这一讲我们学习边界层分离及减阻
这是我国自主研发的大飞机C919
她在起飞的时候机翼会出现
如图所示的缝隙
为什么采用这样的设计？
请大家带着这个问题开始本节的学习
本节主要内容包括边界层分离的原因
和边界层分离的控制
我们看两个例子
分别是飞行中的小鸟和行驶中的汽车
他们在空气中运动时会产生边界层
可以看到在小鸟的头部和汽车头部
边界层还能很好的依附于物体表面
但发展到后面边界层不再依附于物体表面
进入了主流区
这种现象称为边界层分离
边界层分离对流场有重要影响
会产生压差阻力和流动的稳定性问题
为了更好的控制边界层分离
我们以圆柱绕流为例
来看看边界层分离的原因
这是一个垂直于屏幕无限长的圆柱体
来流v无穷沿x轴正方向
我们首先来看看从A点到C点的流动
从A点到C点
流道是压缩的
过流面积S减小
根据连续性方程
速度增大
由伯努利方程可知压力减小
为顺压区
流体顺风跑
动能增加
这一区域流体只需克服粘性阻滞作用
边界层正常发展
没有问题
我们再来看C点到B点的流动
从C点到B点
流道是扩散的
过流面积S增大
根据连续性方程速度减小
根据伯努利方程速度减小压力是增大的
所以从C点到B点为逆压区
流体是逆风跑
动能减小
流体除了克服粘性阻滞
还需克服逆压阻滞作用
当流体能量不足以克服阻滞作用
在D点流体的速度减为零
再往下由于阻滞作用
流体反向流动
将低速流体带离圆柱表面
产生边界层分离
总结一下
边界层分离有两个关键词
一个是流场的阻滞作用
包括逆压阻滞和粘性阻滞
一个是流体的能量
当流体的能量不能克服流场的阻滞作用
那么就会产生边界层分离
以上是边界层分离的定性分析
下面我们根据边界层方程
来确定分离点的位置
如图所示
为一静止的物体表面及其附近的边界层
M点为分界点
其上游压力梯度∂p/∂x<0
压力沿x增大的方向减小
为顺压区
其下游压力梯度∂p/∂x>0
压力沿x增大的方向增大
为逆压区
根据粘性流体的粘附条件
在物体表面流体与物体速度的相同
这里的物体表面是静止的
所以流体的速度vx和vy为零
代入边界层方程可得下式
即压力梯度与速度
沿y方向的二阶导数符号相同
根据这一条件结合边界层中
x方向速度沿y方向的分布特点
可以判断出S点前后的速度分布特点
在S点之前流体沿着主流方向流动
因此在物体表面有∂vx/∂y>0
在S点之后由于逆压作用
流体发生了倒流
此时在物面上有∂vx/∂y<0
因此在S点处必有∂vx/∂y=0
S点即为边界层的分离点
搞清楚边界层分离原因以后
我们可以有针对性的
进行边界层分离的控制
减轻其危害
首先是合理的形状设计
我们可能都听过一个词
叫流线型
实际上流线型设计
就是一种合理的形状设计
这种边界层分离控制方法
通过将绕流物体外形设计成特有的形状
来减小逆压阻滞作用
推迟边界层分离
达到减小阻力和提高流动稳定性的目的
这两副图
是不同形状圆柱的绕流流场示意图
这是标准圆柱的绕流流场
可以看到显著的边界层分离的旋涡
经过这样的外形设计后
边界层分离现象得到有效控制
这就是通过合理的形状设计
控制边界层的分离
边界层加速和边界层吸收
这两种边界层
分离控制方法的原理是一样的
都是从提高流体能量的角度
来推迟边界层分离
如图a
我们在绕流叶片上打一个小孔
从这个小孔向边界层中输入高速流体
提高边界层中的流体动能
来推迟边界层分离
b图的原理和a图相同
通过带有缝隙的两个叶片设计
达到边界层加速的目的
流体在压差的作用下会从下表面流向上表面
由于缝隙很小
流速很大
达到了提高流体动能推迟分离的目的
c图同样在叶片上打个小孔
通过这个孔来抽离边界层中低速流体
使得上游高速流体迅速补充
来推迟边界层分离
我们回过头来看开篇提的问题
为什么机翼在起飞时采用这种有缝隙的设计？
对
没错
通过这种主翼和辅翼之间的缝隙设计
来形成边界层加速的效果
达到控制边界层分离的目的
以减小飞行阻力
提高起飞过程的稳定性
这一节我们学习了
边界层分离的原因和如何控制边界层分离
边界层分离的原因有两个关键词
一个是流体流动的能量
一个是流动的阻滞作用
包括粘性阻滞和逆压阻滞
当流体流动的能量不能克服流动的粘性阻滞
和逆压阻滞时
容易产生边界层分离
基于边界层方程组
可以分析确定边界层分离点的位置
搞清楚边界层分离的原因
可以有针对性的进行边界层分离的控制
包括合理的形状设计以及边界层加速和吸收
合理的形状设计
是从减小流动阻滞作用的角度控制边界层分离
边界层加速和吸收
是从提高边界层流体能量的角度
控制边界层分离
同学们应该掌握这些内容
以上就是本节内容
下一节我们讲讲湍流概述
-1.1 课程导论
--流体力学发展历程
-1.2 速度势函数
--速度势函数
-1.3 平面流动的流函数
--平面流动的流函数
-1.4 势函数与流函数的关系
-1.5 复势与复速度
--复势与复速度
-1.6 几种基本的平面势流
-1.7 势流的叠加
--势流的叠加
-1.8 圆柱无环量绕流
--圆柱无环量绕流
-1.9 圆柱有环量绕流
--圆柱有环量绕流
-1.10 描述旋涡运动的基本概念
--旋涡和涡量
-1.11 旋涡运动的Stokes定理
-1.12 Thomson定理、Helmholtz定理
-1.13 旋涡诱导速度
--旋涡诱导速度
-第1单元习题
-2.1 应力形式的动量方程
-2.2 Navier-Stokes方程
-2.3 库埃特流动精确解
--库埃特流动精确解
--边界条件问题
-2.4 简单流动的精确解
--简单流动的精确解
-2.5 边界层概念及其流动特点
--边界层的意义
-2.6 边界层方程组及其边界条件
-2.7 平板层流边界层的相似解
-2.8 边界层动量积分关系式
-2.9 平板湍流边界层和混合边界层的近似解
-2.10 边界层分离及减阻
--边界层分离及减阻
-2.11 湍流概述
--湍流概述
--层流与湍流
-第2单元习题
-3.1 机翼与翼型概述
--机翼与翼型概述
-3.2 叶栅概述
--叶栅概述
-3.3 保角变换法
--保角变换法
-3.4 儒可夫斯基变换
--儒可夫斯基变换
-3.5 儒可夫斯基翼型绕流
-3.6 保角变换法求解平面叶栅流动
-3.7 奇点分布法
--奇点分布法
-3.8 奇点分布法求解有限翼展绕流
-3.9 奇点分布法求解平面叶栅流动
-3.10 问题回答
--问题回答
