《空氣動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)》課件第6章

空氣動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)

NorthwesternPolytechnicalUniversity,XI’AN

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

實(shí)際流體流動(dòng)的基本特征運(yùn)動(dòng)流體微團(tuán)上有剪切力—摩擦力渦量不再具有保持性，有向無(wú)旋區(qū)域擴(kuò)散，趨于均勻的趨勢(shì)黏性消耗了動(dòng)能有旋性擴(kuò)散性耗散性高速流動(dòng)氣動(dòng)加熱達(dá)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(yùn)動(dòng)的動(dòng)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(dòng)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(qiáng)梯度的黏流及分離第六章附面層和黏性流動(dòng)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(qiáng)梯度的黏流及分離第六章附面層和黏性流動(dòng)第六章

附面層和黏性流動(dòng)

§6-1納維—斯托克斯方程8

應(yīng)力的記法受力分析P點(diǎn)的三個(gè)應(yīng)力分量：P點(diǎn)的應(yīng)力法向應(yīng)力—正應(yīng)力切向應(yīng)力—黏性力στ其中第六章

附面層和黏性流動(dòng)

§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(yīng)力與形變量成正比持續(xù)的變形剪應(yīng)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(yīng)力不大到一定數(shù)值時(shí),固體形狀本身不會(huì)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(wú)休止的（連續(xù)的）剪切變形（流動(dòng)），直到剪切力消失為止，這種性質(zhì)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(dòng)

§6-1納維—斯托克斯方程10

黏性應(yīng)力和速度梯度之間的關(guān)系流體應(yīng)力與流體微團(tuán)的線變形率和角變形率直接關(guān)連用速度的各導(dǎo)數(shù)及黏性系數(shù)來(lái)表達(dá)黏性應(yīng)力在黏流中存在只有法向應(yīng)力，而沒(méi)有切向應(yīng)力的參照系方位第六章

附面層和黏性流動(dòng)

§6-1納維—斯托克斯方程11

運(yùn)動(dòng)方程牛頓第二定律:——黏流的運(yùn)動(dòng)方程，即納維---斯托克斯方程第六章

附面層和黏性流動(dòng)

§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(méi)有滑動(dòng)，或者說(shuō)對(duì)物面而言，流體的相對(duì)速度等于零?；七吔纾哼吔鐑蓚?cè)流體速度不同，流速相平行，應(yīng)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(dòng)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(qiáng)梯度的黏流及分離第六章

附面層和黏性流動(dòng)

§6-2附面層概念14理想流體：假想的沒(méi)有黏性的流體

μ=0

=0真實(shí)流體：有黏性牛頓內(nèi)摩擦定律：牛頓流體/非牛頓流體無(wú)滑移

黏性流體和理想流體第六章

附面層和黏性流動(dòng)

§6-2附面層概念15層流：流體質(zhì)點(diǎn)無(wú)橫向運(yùn)動(dòng)，互不混雜，層分明的穩(wěn)定流動(dòng)；紊流：流體質(zhì)點(diǎn)具有無(wú)規(guī)則的橫向脈動(dòng)，有強(qiáng)烈的摻混性和渦旋性。

層流和紊流黏性流體流動(dòng)按流場(chǎng)的結(jié)構(gòu)形態(tài)分為：第六章

附面層和黏性流動(dòng)

§6-2附面層概念16英國(guó)的雷諾（O.Reynolds,1883）通過(guò)圓管定常流動(dòng)系列實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，層流與湍流的轉(zhuǎn)捩取決于一個(gè)組合的無(wú)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(yùn)動(dòng)黏性系數(shù)第六章

附面層和黏性流動(dòng)

§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(zhuǎn)捩區(qū)湍流區(qū)

層流和紊流18第六章

附面層和黏性流動(dòng)

§6-2附面層概念

層流和紊流（1）當(dāng)流速不大時(shí)，管中顏色液規(guī)則地沿著管道流動(dòng)，形成一條清晰可見(jiàn)的穩(wěn)定色帶。相鄰各層之間沒(méi)有無(wú)規(guī)則的脈動(dòng)，稱為層流狀態(tài)。隨速度的不同有三種情況：（2）打開(kāi)節(jié)門B，流速加大，色帶逐漸不穩(wěn)定，開(kāi)始上下左右脈動(dòng)。為過(guò)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(tuán)不再作有規(guī)則成層的流動(dòng)，伴隨著主流運(yùn)動(dòng)，還存在復(fù)雜無(wú)規(guī)則的隨機(jī)非定常運(yùn)動(dòng)，稱為紊流（湍流）狀態(tài)。19第六章

附面層和黏性流動(dòng)

§6-2附面層概念

層流和紊流由層流狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槲闪鳡顟B(tài)稱為轉(zhuǎn)捩

（1）層流狀態(tài)紊流狀態(tài)轉(zhuǎn)捩雷諾數(shù)/臨界雷諾數(shù)（2）紊流變?yōu)閷恿鳡顟B(tài)對(duì)應(yīng)的雷諾數(shù)并不相同。（3）工程估算時(shí)，一般把Re＝2300作為轉(zhuǎn)捩雷諾數(shù)（4）對(duì)于附面層流動(dòng)，也有層流附面層和紊流附面層的區(qū)別。層流運(yùn)動(dòng)中，流體層與層之間互不混雜，無(wú)動(dòng)量交換紊流運(yùn)動(dòng)中，流體層與層之間互相混雜，動(dòng)量交換強(qiáng)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(dòng)

§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(dòng)因素

D

V

利于穩(wěn)定對(duì)比抗衡Re無(wú)量綱數(shù)，度量慣性力和黏性力的相互關(guān)系。由層流狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槲闪鳡顟B(tài)稱為轉(zhuǎn)捩

層流運(yùn)動(dòng)中，流體層與層之間互不混雜，無(wú)動(dòng)量交換紊流運(yùn)動(dòng)中，流體層與層之間互相混雜，動(dòng)量交換強(qiáng)烈第六章

附面層和黏性流動(dòng)

§6-2附面層概念21

層流和紊流紊流發(fā)生的機(jī)理十分復(fù)雜層流流動(dòng)的穩(wěn)定性喪失（雷諾數(shù)達(dá)到臨界雷諾數(shù)）擾動(dòng)使某流層發(fā)生微小的波動(dòng)流速使波動(dòng)幅度加劇在橫向壓差與切應(yīng)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(dòng)第六章

附面層和黏性流動(dòng)

§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(cè)的切應(yīng)力構(gòu)成順時(shí)針?lè)较虻牧?，有促使旋渦產(chǎn)生的傾向。第六章

附面層和黏性流動(dòng)

§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(zhuǎn)捩點(diǎn)附面層厚度的增加率變大第六章

附面層和黏性流動(dòng)

§6-2附面層概念24

層流和紊流——紊流中流體微團(tuán)作復(fù)雜的、無(wú)規(guī)則的隨機(jī)非定常運(yùn)動(dòng)紊流中，所有物理量都是時(shí)間和空間的隨機(jī)函數(shù)。流動(dòng)物理量：時(shí)均量脈動(dòng)量紊流度：第六章

附面層和黏性流動(dòng)

§6-2附面層概念25

附面層的壓強(qiáng)——假設(shè)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(dòng)

§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(yīng)力不能忽略;流速達(dá)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(dòng)

§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(wú)黏流所需的通道加寬的部分。質(zhì)量流量相等第六章

附面層和黏性流動(dòng)

§6-2附面層概念28

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

向前流動(dòng)所需的通道厚度。第六章附面層和黏性流動(dòng)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(qiáng)梯度的黏流及分離第六章

附面層和黏性流動(dòng)

§6-3附面層微分方程30

附面層微分方程的推導(dǎo)牛頓第二定律：對(duì)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(dòng)

§6-3附面層微分方程31

附面層微分方程的推導(dǎo)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(qiáng)不變32第六章

附面層和黏性流動(dòng)

§6-3附面層微分方程

附面層微分方程的求解壁面摩擦應(yīng)力壁面上的當(dāng)?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(zhǎng)度平板寬度平板表面積第六章附面層和黏性流動(dòng)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(qiáng)梯度的黏流及分離34第六章

附面層和黏性流動(dòng)

§6-4有壓強(qiáng)梯度的黏流及分離

附面層的分離繞翼型的流動(dòng)繞方塊的流動(dòng)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(dòng)能，在壓強(qiáng)沿流動(dòng)方向增高的區(qū)域中，無(wú)法繼續(xù)沿著物面流動(dòng)，以致發(fā)生倒流使氣流離開(kāi)物面。繞圓柱的流動(dòng)第六章

附面層和黏性流動(dòng)

§6-4有壓強(qiáng)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(diǎn)停止SC段倒流分離的條件—

逆壓梯度分離的實(shí)際發(fā)生—

微團(tuán)滯止和倒流第六章

附面層和黏性流動(dòng)

§6-4有壓強(qiáng)梯度的黏流及分離37

流動(dòng)狀態(tài)對(duì)分離的影響隨著雷諾數(shù)增大，圓柱面上由層流附面層轉(zhuǎn)變?yōu)槲闪鞲矫鎸?。在分離點(diǎn)之前附面層為層流，稱這種分離為層流分離。在分離點(diǎn)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(diǎn)后移，分離區(qū)減小，阻力也會(huì)下降。高爾夫球蜂窩狀第六章

附面層和黏性流動(dòng)

§6-4有壓強(qiáng)梯度的黏流及分離背風(fēng)面第六章

附面層和黏性流動(dòng)

§6-4有壓強(qiáng)梯度的黏流及分離38

分離與壓差阻力分離后物體背風(fēng)面壓強(qiáng)低于前部壓強(qiáng)，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(dòng)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(dāng)繞流分離時(shí)，壓差阻力陡增。第六章附面層和黏性流動(dòng)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(qiáng)梯度的黏流;分離第六章

附面層和黏性流動(dòng)

§6-5高速可壓流附面層40

Ma<5時(shí)附面層概念可用再計(jì)及黏性附面層的影響物體繞流問(wèn)題先按無(wú)黏流計(jì)算能量損失/摩擦熱問(wèn)題復(fù)雜化氣動(dòng)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(dòng)

§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(yán)重——溫度高，梯度大，熱傳導(dǎo)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^(guò)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(wú)熱交換層內(nèi)的溫度分布第六章

附面層和黏性流動(dòng)

§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