《空氣動力學基礎》課件第6章

空氣動力學基礎

NorthwesternPolytechnicalUniversity,XI’AN

航天學院·空氣動力學教學組2課程內(nèi)容安排第二章流體力學基本原理與方程第三章不可壓理想流體繞物體的流動第四章高速可壓縮流基礎知識第五章一維定?？蓧嚎s管內(nèi)流動第六章附面層和黏性流動第一章流體力學基礎知識第七章繞翼型的低速流動第八章繞翼型的可壓縮流動3第二章流體力學基本原理和方程第三章不可壓理想流體繞物體的流動第四章高速可壓縮流基礎知識第五章一維定常可壓縮管內(nèi)流動第六章附面層和黏性流動第一章流體力學基礎知識第七章繞翼型的低速流動第八章繞翼型的可壓縮流動課程內(nèi)容安排第六章附面層和黏性流動4為什么河水中間速度大,而靠近岸邊速度小?

實際流體流動的基本特征運動流體微團上有剪切力—摩擦力渦量不再具有保持性，有向無旋區(qū)域擴散，趨于均勻的趨勢黏性消耗了動能有旋性擴散性耗散性高速流動氣動加熱達朗貝爾疑題

阻力旋渦產(chǎn)生、衍化、消失5流體的黏性流體分子之間的引力(內(nèi)聚力)流體分子的不規(guī)則熱運動的動量交換黏性力產(chǎn)生的物理原因：第六章附面層和黏性流動6§6-2附面層概念§6-3附面層微分方程§6-5高速可壓流附面層§6-1納維—斯托克斯方程§6-4有壓強梯度的黏流及分離第六章附面層和黏性流動7§6-2附面層概念§6-3附面層微分方程§6-5高速可壓流附面層§6-1納維—斯托克斯方程§6-4有壓強梯度的黏流及分離第六章附面層和黏性流動第六章

附面層和黏性流動

§6-1納維—斯托克斯方程8

應力的記法受力分析P點的三個應力分量：P點的應力法向應力—正應力切向應力—黏性力στ其中第六章

附面層和黏性流動

§6-1納維—斯托克斯方程9固體剪切力θ固體流體有限的變形剪應力與形變量成正比持續(xù)的變形剪應力與形變率成正比固體：既能承受壓力，也能承受拉力和剪切力，應力不大到一定數(shù)值時,固體形狀本身不會被破壞，即固體不具有易流性。流體：能夠承受壓力，幾乎不能承受拉力，在極小剪切力的作用下，流體就將產(chǎn)生無休止的（連續(xù)的）剪切變形（流動），直到剪切力消失為止，這種性質稱為流體的易流性，它使流體本身不能保持一定的形狀，只能取決于所在容器的形狀。剪切力作用下的固體和流體第六章

附面層和黏性流動

§6-1納維—斯托克斯方程10

黏性應力和速度梯度之間的關系流體應力與流體微團的線變形率和角變形率直接關連用速度的各導數(shù)及黏性系數(shù)來表達黏性應力在黏流中存在只有法向應力，而沒有切向應力的參照系方位第六章

附面層和黏性流動

§6-1納維—斯托克斯方程11

運動方程牛頓第二定律:——黏流的運動方程，即納維---斯托克斯方程第六章

附面層和黏性流動

§6-1納維—斯托克斯方程12固體邊界：邊界上流體和物面之間沒有滑動，或者說對物面而言，流體的相對速度等于零。滑移邊界：邊界兩側流體速度不同，流速相平行，應力的大小相等，指向相反。固體邊界滑移邊界

邊界條件第六章附面層和黏性流動13§6-2附面層概念§6-3附面層微分方程§6-5高速可壓流附面層§6-1納維—斯托克斯方程§6-4有壓強梯度的黏流及分離第六章

附面層和黏性流動

§6-2附面層概念14理想流體：假想的沒有黏性的流體

μ=0

=0真實流體：有黏性牛頓內(nèi)摩擦定律：牛頓流體/非牛頓流體無滑移

黏性流體和理想流體第六章

附面層和黏性流動

§6-2附面層概念15層流：流體質點無橫向運動，互不混雜，層分明的穩(wěn)定流動；紊流：流體質點具有無規(guī)則的橫向脈動，有強烈的摻混性和渦旋性。

層流和紊流黏性流體流動按流場的結構形態(tài)分為：第六章

附面層和黏性流動

§6-2附面層概念16英國的雷諾（O.Reynolds,1883）通過圓管定常流動系列實驗發(fā)現(xiàn)，層流與湍流的轉捩取決于一個組合的無量綱數(shù):v—平均速度；D—直徑；ρ

—流體密度；

μ—

黏度系數(shù)雷諾數(shù)

層流和紊流引用運動黏性系數(shù)第六章

附面層和黏性流動

§6-2附面層概念17雷諾（1883）用紅色染液顯示玻璃管中的流態(tài):層流區(qū)轉捩區(qū)湍流區(qū)

層流和紊流18第六章

附面層和黏性流動

§6-2附面層概念

層流和紊流（1）當流速不大時，管中顏色液規(guī)則地沿著管道流動，形成一條清晰可見的穩(wěn)定色帶。相鄰各層之間沒有無規(guī)則的脈動，稱為層流狀態(tài)。隨速度的不同有三種情況：（2）打開節(jié)門B，流速加大，色帶逐漸不穩(wěn)定，開始上下左右脈動。為過渡狀態(tài)。（3）加大節(jié)門B，流速再加大，顏色液和水混成一片。流體微團不再作有規(guī)則成層的流動，伴隨著主流運動，還存在復雜無規(guī)則的隨機非定常運動，稱為紊流（湍流）狀態(tài)。19第六章

附面層和黏性流動

§6-2附面層概念

層流和紊流由層流狀態(tài)轉變?yōu)槲闪鳡顟B(tài)稱為轉捩

（1）層流狀態(tài)紊流狀態(tài)轉捩雷諾數(shù)/臨界雷諾數(shù)（2）紊流變?yōu)閷恿鳡顟B(tài)對應的雷諾數(shù)并不相同。（3）工程估算時，一般把Re＝2300作為轉捩雷諾數(shù)（4）對于附面層流動，也有層流附面層和紊流附面層的區(qū)別。層流運動中，流體層與層之間互不混雜，無動量交換紊流運動中，流體層與層之間互相混雜，動量交換強烈慣性力起主要作用黏性力起主要作用20第六章

附面層和黏性流動

§6-2附面層概念

層流和紊流（1）層流狀態(tài)紊流狀態(tài)黏性穩(wěn)定擾動因素

D

V

利于穩(wěn)定對比抗衡Re無量綱數(shù)，度量慣性力和黏性力的相互關系。由層流狀態(tài)轉變?yōu)槲闪鳡顟B(tài)稱為轉捩

層流運動中，流體層與層之間互不混雜，無動量交換紊流運動中，流體層與層之間互相混雜，動量交換強烈第六章

附面層和黏性流動

§6-2附面層概念21

層流和紊流紊流發(fā)生的機理十分復雜層流流動的穩(wěn)定性喪失（雷諾數(shù)達到臨界雷諾數(shù)）擾動使某流層發(fā)生微小的波動流速使波動幅度加劇在橫向壓差與切應力的綜合作用下形成旋渦旋渦受升力而升降引起流體層之間的混摻造成新的擾動第六章

附面層和黏性流動

§6-2附面層概念22

層流和紊流高速流層低速流層任意流層之上下側的切應力構成順時針方向的力矩，有促使旋渦產(chǎn)生的傾向。第六章

附面層和黏性流動

§6-2附面層概念23

層流和紊流混合附面層附面層速度分布型在轉捩點附面層厚度的增加率變大第六章

附面層和黏性流動

§6-2附面層概念24

層流和紊流——紊流中流體微團作復雜的、無規(guī)則的隨機非定常運動紊流中，所有物理量都是時間和空間的隨機函數(shù)。流動物理量：時均量脈動量紊流度：第六章

附面層和黏性流動

§6-2附面層概念25

附面層的壓強——假設物面的曲率半徑為R，附面層厚度δ<<R。根據(jù)牛頓第二定律，法線方向有：δ<<R第六章

附面層和黏性流動

§6-2附面層概念26

附面層的厚度沿平板法線方向氣流的速度分布附面層內(nèi)速度梯度很大，黏性應力不能忽略;流速達到

處為附面層的外邊界。平板附面層的厚度第六章

附面層和黏性流動

§6-2附面層概念27

附面層的厚度位移厚度δ*：流量相等情況下，黏性流所占的通道比理想無黏流所需的通道加寬的部分。質量流量相等第六章

附面層和黏性流動

§6-2附面層概念28

附面層的厚度動量損失厚度δ**：由于黏性作用附面層內(nèi)損失掉動量的流體，若以理想流體的動量

向前流動所需的通道厚度。第六章附面層和黏性流動29§6-2附面層概念§6-3附面層微分方程§6-5高速可壓流附面層§6-1納維—斯托克斯方程§6-4有壓強梯度的黏流及分離第六章

附面層和黏性流動

§6-3附面層微分方程30

附面層微分方程的推導牛頓第二定律：對層流附面層和紊流附面層都適用第六章

附面層和黏性流動

§6-3附面層微分方程31

附面層微分方程的推導層流附面層紊流附面層連續(xù)方程不可壓流體附面層內(nèi)沿y方向壓強不變32第六章

附面層和黏性流動

§6-3附面層微分方程

附面層微分方程的求解壁面摩擦應力壁面上的當?shù)啬Σ料禂?shù)作用于平板表面的摩擦阻力及摩擦阻力系數(shù)的定義平板長度平板寬度平板表面積第六章附面層和黏性流動33§6-2附面層概念§6-3附面層微分方程§6-5高速可壓流附面層§6-1納維—斯托克斯方程§6-4有壓強梯度的黏流及分離34第六章

附面層和黏性流動

§6-4有壓強梯度的黏流及分離

附面層的分離繞翼型的流動繞方塊的流動35

附面層的分離附面層內(nèi)氣流由于黏性的作用消耗了動能，在壓強沿流動方向增高的區(qū)域中，無法繼續(xù)沿著物面流動，以致發(fā)生倒流使氣流離開物面。繞圓柱的流動第六章

附面層和黏性流動

§6-4有壓強梯度的黏流及分離36

附面層的分離分離的原因—

黏性在順壓梯度區(qū)（AB)：流體加速在逆壓梯度區(qū)（BC)：BS段減速S點停止SC段倒流分離的條件—

逆壓梯度分離的實際發(fā)生—

微團滯止和倒流第六章

附面層和黏性流動

§6-4有壓強梯度的黏流及分離37

流動狀態(tài)對分離的影響隨著雷諾數(shù)增大，圓柱面上由層流附面層轉變?yōu)槲闪鞲矫鎸?。在分離點之前附面層為層流，稱這種分離為層流分離。在分離點之前附面層已成紊流，則稱這種分離為紊流分離。層流分離紊流分離理想流體分析：紊流分離比層流分離發(fā)生的晚雷諾數(shù)增大，分離點后移，分離區(qū)減小，阻力也會下降。高爾夫球蜂窩狀第六章

附面層和黏性流動

§6-4有壓強梯度的黏流及分離背風面第六章

附面層和黏性流動

§6-4有壓強梯度的黏流及分離38

分離與壓差阻力分離后物體背風面壓強低于前部壓強，存在壓差阻力附面層的分離區(qū)越大，壓差阻力也越大黏性產(chǎn)生兩種阻力：摩擦阻力+壓差阻力為減小物面的逆差梯度，通常將飛行器做成圓頭尖尾的流線型。繞流未分離，黏性使氣流的總壓在沿物面的流動中不斷損失，與理想流體相比，前部改變小，后部改變大，產(chǎn)生了沿氣流方向的壓差阻力。當繞流分離時，壓差阻力陡增。第六章附面層和黏性流動39§6-2附面層概念§6-3附面層微分方程§6-5高速可壓流附面層§6-1納維—斯托克斯方程§6-4有壓強梯度的黏流;分離第六章

附面層和黏性流動

§6-5高速可壓流附面層40

Ma<5時附面層概念可用再計及黏性附面層的影響物體繞流問題先按無黏流計算能量損失/摩擦熱問題復雜化氣動加熱激波和附面層相互干擾ρ、μ

隨溫度變化法向溫度梯度第六章

附面層和黏性流動

§6-5高速可壓流附面層41

溫度附面層和層內(nèi)溫度分布摩擦熱內(nèi)層阻滯最嚴重——溫度高，梯度大，熱傳導不能忽略——溫度逐漸降低外層阻滯作用小壁面?zhèn)鳠釤岜凇獰崃客ㄟ^壁面?zhèn)鹘o空氣冷壁——熱量由空氣傳給壁面絕熱壁——空氣與壁面無熱交換層內(nèi)的溫度分布第六章

附面層和黏性流動

§6-5高速可壓流附面層42

溫度附面層和層內(nèi)溫度分布溫度附面層：物體表面附近，溫度梯度很大的薄層流體。附面層邊界:T=0.99Te，即速度附面層：物體表面附近，速度梯度很大