边界层分离
边界层分离
如前所述，当不可压缩黏性流体纵向流过平板时，在边界层 外边界上沿平板方向的速度是相同的，而且整个流场和边界层内 的压强都保持不变。当黏性流体流经曲面物体时，边界层外边界 上沿曲面方向的速度是改变的，所以曲面边界层内的压强也将同 样发生变化，对边界层内的流动将产生影响。曲面边界层的计算
外部流动
尾迹 外部流动 边界层
外部流动
尾迹
外部流动 边界层 （a）流线形物体；（b）非流线形物体 图5-4 曲面边界层分离现象示意图
一、边界层的分离
1、从D到E流动加速，为顺压梯度区；
流体压能向动能转变，不发生边界层分离 2、从E到F流动减速, 为逆压梯度区； E到F段动能只存在损耗，速度减小很快 3、在S点处出现粘滞 ，由于压力的升高产生
fd Sr V
（5-12）
根据罗斯柯（A．Roshko）1954年的实验结果，当 Re大于1000 时，斯特劳哈数 Sr 近似地等于常数，即Sr =0.21。 根据卡门涡街的上述性质，可以制成卡门涡街流量计
测定卡门涡街脱落频率的方法有热敏电阻丝法、超音波束法等
3.分离的条件 — 逆压梯度 4.分离的实际发生 — 微团滞止和倒流
2.分离实例
从静止开始边界层发展情况
扩张管
（上壁有抽吸）
2.分离实例
2.分离实例
二、卡 门 涡 街
圆柱绕流问题：随着雷诺数的增大边界层首先出现分离，分 离点并不断的前移，当雷诺数大到一定程度时，会形成两列几乎 稳定的、非对称性的、交替脱落的、旋转方向相反的旋涡，并随 主流向下游运动，这就是卡门涡街 卡门对涡街进行运动分析得出了阻力、涡释放频率以及斯特 罗哈数的经验公式
边界层分离
边界层分离边界层分离是一种软件设计和架构原则，旨在将不同层级的组件和模块在逻辑上进行分离并尽量减少它们之间的依赖关系。
这种分离的设计有助于提高系统的可维护性、可扩展性和重用性。
边界层分离的主要思想是将系统的不同功能和不同层次的处理逻辑划分为独立的组件，每个组件负责处理一类特定的任务，并且这些组件之间通过明确定义的接口进行交互。
边界层分离通常将系统分为三个主要层次：表示层（Presentation Layer）、业务逻辑层（Business Logic Layer）和数据层（Data Layer）。
表示层是用户与系统交互的界面，负责接收用户的输入，并将结果以用户可以理解的方式进行展示。
表示层可以是一个Web应用程序中的前端页面，也可以是一个命令行界面或者一个移动应用程序的用户界面。
表示层需要尽量减少与业务逻辑和数据层的耦合，因此可以通过定义接口和事件来与其他层进行通信。
业务逻辑层是系统的核心处理逻辑，负责处理用户的请求并根据业务规则进行相应的处理。
业务逻辑层可以包含一系列的服务和管理器，用于处理系统中涉及到的具体业务逻辑。
通过将业务逻辑层独立出来，可以提高系统的灵活性和可维护性，便于对业务规则的变更和扩展。
数据层负责与底层数据存储进行交互，并将数据持久化到数据库或其他存储介质中。
数据层可以包含数据访问对象（Data Access Object, DAO）、数据库访问层等组件，用于封装数据存取的具体实现细节。
数据层的设计要尽量与业务逻辑层解耦，以便能够灵活地切换底层数据存储或者更改数据访问方式。
边界层分离的好处在于它能够使系统中的不同层次和组件之间实现松耦合，从而方便进行单元测试、模块替换和系统扩展。
此外，边界层分离还有助于提高代码的可读性和可维护性，因为每个层次的代码都可以独立进行调试和修改，而不会影响其他层次。
然而，边界层分离并不是适用于所有的软件项目。
对于小型和简单的应用程序来说，过度的分层和分离可能会增加系统的复杂性和开发成本。
04第四章 边界层理论基础
d ρ ∫ (ux − u0 )ux dy = τ s dx 0
δ
（5—14） ） ——卡门边界层积分动量方程 卡门边界层积分动量方程
适用于层流、湍流，精度取决于 适用于层流、湍流，精度取决于ux=f(x,y) 可预先假定一个速度分布方程，如： x = a + by + cy 2 可预先假定一个速度分布方程， u 代入，求得近似解。 代入，求得近似解。
δ
0
δ
第三节 边界层积分动量方程
一、边界层积分动量方程的推导
方向流动： 只考虑 x 方向流动： d dp ρ ∫ ( u x − u0 )u x d y = τ s + l d x dx 0
作数量级分析时，有 ∂p ＝0 即边 作数量级分析时， 界层压力p在 方向近似不变 方向近似不变， 界层压力 在y方向近似不变，等于边界 层外面流体的压力，边界层外按理想流 层外面流体的压力， 体处理。 体处理。
∂ 2uy ∂ 2uy 1 ∂p ux + uy =− +v + 2 2 ∂x ∂y ∂y ρ ∂y ∂x
经化简后， 经化简后，得：
(4- 5a)
∂uy
∂uy
(4 - 5b)
1 ∂p ∂ 2ux ∂ux ∂ux ux + uy =− +v 2 ρ ∂x ∂x ∂y ∂y ∂ux ∂uy + =0 ∂x ∂y
d δ dux (4 - 21) ρ ∫ ux (u0 − ux )dy = µ y =0 0 dx dy 次方为例： 以3次方为例： ux = a + by + cy2 + dy3 次方为例 B.C. y = 0, ux = 0 3 2 d ux ux 3 y 1 y y = 0, =0 ⇒ = ⋅ − ⋅ (4 - 22) 2 dy u0 2 δ 2 δ
激波诱导边界层分离的研究
振等问题，除了造成大量旋涡，大大增加机械能消耗【４２】；当边界层分离发生在火箭芯级表面时，将显著加大飞行阻力，当激波与边界层的相互作用加剧时，会引起分离区的扩大，导致火箭的抖振Ｉ”ｌ；如果边界层分离发生在冲压发动机的进气道内时，将会弓ｌ起流场的畸变，流量系数减小，还会加大气流总压损失，使总压恢复系数降低Ｉ“ｌ。
清楚地掌握流动分离的机理，有效地预测和控制分离是十分重要的，且具有重大的实用价值。
研究激波与边界层的相互作用，既是边界层分离基础研究的一项重要内容，也是为解决航天航空和军事作业中一些工程实验问题提供理论基础。
由此可见，分离现象的研究，对于推进航空科技发展，具有一定的现实指导意义。
激波与边界层的相互作用的研究，是当今流体力学、气体动力学和工程热物理学科发展前沿的重大应用基础理论课题，也是航空航天领域的几大亟待解决的问题之一。
１．２物理现象及研究方法激波与边界层相互作用（Ｓｈｏｃｋ．Ｗａｖｅ／Ｂｏｕｎｄａｒｙ－ＬａｙｅｒＩｎｔｅｒａｃｔｉ蚰），一股简称为“ＳＷＢＬＩ”【１ｌ’主要体现在激波冲击边界层诱导其发生分离的现象，见图１．３。
由于边界层内贴近壁面的总是一层亚音速流，而激波只能在超音速流中形成，因此从主流区射向平板壁面激波，只能伸到边界层内的声速处，不能直接伸展到壁面上，而平板边界层不能承受较大的逆压梯度，这对，激波后面的突跃高压使得流场质点通过这一亚音速层往前移动，流线凸起，出现了边界层分离。
图１．３激波与边界层作用的Ｘ光照片【２】分离区的出现使得流线的凸起更加显著，呈凸包状。
于是在激波入射点上游，形成一个压缩波区并汇聚成一道激波，称为第一道反射激波，第激波形成过程和边界层形成过程之间存在着强烈的相互干扰，由此导致极为复杂的现象，至今尚未完全了解这些现象。
由于激波常常引起边界层的分离，所以对于物体的阻力来说，激波的出现有重要的影响。
激波及相应流场的理论计算是非常困难的，在这不作讨论。
因为边界层的特性主要取决于Ｒｅｙｎｏｌｄｓ数，而激波中的条件则主要取决于Ｍａｃｈ数。
武汉理工大学工程流体力学(4-5)
cD A
阻力系数 迎流面积（与来流垂直）
2、影响FD的因素：
1）与粘性有关。µ τ ，摩阻增大。 2）与物体形状有关，与物体的方位有关。
在相同条件下，迎流面积越大，尾部漩 涡区越大，前后压差越大，压阻增大。
与物体所放的方位有关，同是流线形的 机翼，有攻角和无攻角的涡区不同。
3）与物体的粗糙度有关。
上为湍流边界层，边界层在背流 面分离，故压差阻力系数下降。 但是当雷诺数逐渐增加时， 转捩更加提前，湍流边界层区域 增大，层流边界层区域减少，因 而摩擦阻力系数上升。再加上尾 流区中压力进一步下降，故压差 阻力系数上升。
边界层分离又称为边界层的脱体， 分离点又称为脱体点。流线型物体在 非正常情况下也能产生分离。
在某些特殊情况下，分离了的边 界层有可能再次附着在物面上，从而 在物面附近形成封闭的回流区，
三、分离流动的特点
对平板边界层有
∂p ∂p = 0, =0 ∂x ∂y
且在边界层
外边界上各点的速度为常数。当流体绕流 曲面时，由于 固壁曲面使过流截面发生 变化，因而边界层外边界上的速度 U ≠ c 则各点的压力 p 也不相等，即 这对流动有很大影响。 讨论流体绕流曲面时压力和速度的变化:
壁面分开，这种现象称为边界层分离。 A点称为分离点。发生分离后，主流和 回流碰撞产生漩涡，在物体后部形成尾 涡区，漩涡的运动要消耗能量，使得物 体后部的压力不能恢复到物体前部的压 力，使得物体前后形成压力差，产生阻 力。这种阻力称压差阻力。 在分离点及其上下游作速度剖面图，可 以发现，在分离点A上满足
当两种状态都存在，称混合边界层。如图
V∞
层流边界层
0
V∞
混合边界层
0
xc
水力学 第九章课后题答案
az
2u x
2u z
fx
fz g cos
ℎ3
sin
3
于是，N-S方程化简为
1 p
2u x
0 g sin
x
z 2
0 g cos
1 p
z
这组方程有两个未知数，即ux和p。
由此求得p:
p gz cos c
u
x z 0
2 z
x
x
y
z
1
2
1
2
u y
u
x
y
x
0
流函数存在的充分必要条件为不可压缩液体的连续性方程式。
即
u y
u x
0
x
y
9.10什么叫边界层？边界层液流有哪些特点？
答：边界层：从平板表面到未扰动的的液流之间存在着一个流速分布不均匀的区域，这个区域就是
水流受平板影响的范围，叫做边界层。
边界层液流的特点：
（1）边界层内的液流形态可能是层流，也可能是湍流。
（2）在板端附近边界层极薄，流速自零迅速增至U0，因此流速梯度极大，以致产生很大的内摩擦
阻力，所以板端附近边界层内的液流往往是层流。
（3）距板端距离愈远，边界层厚度愈厚，流速梯度随边界层厚度增大而变小，内摩擦阻力也相应
ux
uy
uz
z
t
x
y
z
压力
粘滞力
单位质量力
适用条件：适用于不可压缩粘滞性液体。
惯性力
其中：
2 为拉普拉斯算子，
边界层理论及边界层分离现象
边界层理论及边界层分离现象一．边界层理论1.问题的提出在流体力学中，雷诺数Re∝惯性力/粘性力，当Re<1时，惯性力<<粘性力，可以略去惯性力项，用N-S方程解决一些实际问题（如沉降、润滑、渗流等），并可以获得比较满意的结果。
但对于工程流动问题，绝大多数的Re很大。
这时就不可以完全略去粘性力，略去粘性力的结果与实际情况相差很大。
突出的一例即“达朗倍尔佯谬——在流体中作等速运动的物体不受阻力。
”究竟应当怎样才能正确地处理大Re数的流动呢？这个矛盾一直到1904年，德国流体力学家普朗特提出了著名的边界层理论，即大Re数的流动中，大部分区域的惯性力>>粘性力，但在紧靠固壁的极薄流层中，惯性力≈粘性力，这才令人满意地解决了大Re数的流动的阻力问题。
2.边界层的划分Ⅰ流动边界层（速度边界层）以平板流动为例，x方向一维稳态流动，在垂直壁面的y方向上，流动可划分为性质不同的两个区域：（1）y<δ（边界层）：受壁面影响，法向速度变化急剧，du/dy很大，粘性力大（与惯性同阶），不能忽略。
（2）y>δ(层外主流层)：壁面影响很弱，法向速度基本不变，du/dy≈0。
所以可忽略粘性力（即忽略法向动量传递）。
可按理想流体处理，Euler方程适用。
这两个区域在边界层的外缘衔接起来，由于层内的流动趋近于外流是渐进的，不是突变的，因此，通常约定：在流动边界层的外缘处（即y＝δ处），ux＝0.99u∞，δ为流动边界层厚度，且δ＝δ(x)。
Ⅱ传热边界层（温度边界层)当流体流经与其温度不相等的固体壁面时，在壁面上形成流动边界层，同时，还会由于传热而形成温度分布，可分成两个区域：（1）y<δt（传热边界层）：受壁面影响，法向温度梯度dt/dy很大，不可忽略，即不能忽略法向热传导。
（2) y>δt（层外区域）：法向温度梯度dt/dy≈0，可忽略法向热传导。
通常约定：在传热边界层的外缘处（即y＝δt处），ts－t＝0.99(ts－t0) ≈ ts－t0，δt 为温度边界层厚度，且δt＝f(x)；ts为壁面温度；t0为热边界层外（主流体）区域的温度。
绕流运动、边界层分离现象
二、卡门涡街
1911年，匈牙利科学家卡门在德国专门研究了这种圆柱背后旋涡的运动规律。实验研究表明，当时黏性流体绕过圆柱体，发生边界层分离，在圆柱体后面产生一对不稳定的旋转方向相反的对称旋涡，超过40后，对称旋涡不断增长，至时，这对不稳定的对称旋涡，最后形成几乎稳定的非对称性的、多少有些规则的、旋转方向相反、上下交替脱落的旋涡，这种旋涡具有一定的脱落频率，称为卡门涡街，如图5-6所示。
无量纲的 阻力系数
图5-7给出了无限长圆柱体以及其它形状物体的阻力系数与雷诺数的关系曲线。以无限长圆柱体为例，当Re≤1时， 与Re成反比。在图上以直线表示之，这时边界层没有分离，只有摩擦阻力。雷诺数从2增加到约40时，边界层发生分离，压差阻力在总的物体阻力中的比例逐渐增大。到 时，开始形成卡门涡街，压差阻力占总阻力近90%。在 时， 达到最小值，约等于0.9.在 时， 逐渐上升到1.2。这是由于尾涡区中的紊流增强，另外也由于边界层分离点逐渐向前移动的结果，这时差不多全部物体阻力都是压差阻力造成。在 时，层流边界层变成紊流边界层，这时，由于紊流边界层内流体质点相互掺混，发生强大的动量交换，以致承受压强增高的能力比层流边界层变强，使分离点向后移动一大段。尾涡区大大变窄， 从而使阻力系数显著降低，即从 到 一段， 从1.2急剧下降到0.3。
1
图5-6 卡门涡街形成示意图
2
根据卡门涡街的上述性质，可以制成卡门涡街流量计，即在管道内从与流体流动相垂直的方向插入一根圆柱体验测杆。管内流体流经圆柱体验测杆时，在验测杆下游产生卡门涡街，测得了旋涡的脱落频率，便可由式（5-12）求得管内流体的流速，进而确定管内流体的流量。测定卡门涡街脱落频率的方法有热敏电阻丝法、超音波束法等等。
一、曲面边界层的分离现象
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C4.6 压强梯度的影响：边界层分离
边界层分离又称为流动分离，是指原来紧贴壁面流动的边界层脱离壁面的现象。
边界层脱离壁面后的空间通常由后部的倒流流体来填充，形成涡旋，因此发生边界层分离的部位一般有涡旋形成。
当流体绕曲壁流动时最容易发生这种现象，图C4.6.1为典型的例子，在圆柱后部发生的流动分离形成一对涡旋，称为猫眼。
下面以具有顺压和逆压梯度的曲壁边界层流动为例说明边界层分离的原因和特点。
(图C4.6.1) 1．分离的物理原因
正如C4.3所述，外流的压强可透过边界层，直接作用到壁面上。
在顺压梯度区（图C4.6.2中BC段）壁面附近的流体元将受到压力的推动前进；在零压强梯度区(C点)流体微团靠自身的动能克服粘性阻力前进;在逆压梯度区(CE段)流体元受到逆压和粘性力双重阻力逐渐减速，至S点时动能耗尽，速度为零。
在后部(SE段)倒流的流体挤压下，脱离壁面流向内部。
S点称为分离点，SE称为脱体区。
（用氢气泡技术演示圆柱绕流分离点和分离区）
2．速度廓线特点
普朗特边界层方程(C4.3.2)式为
(C4.3.2) 在壁面上u = 0, v = 0, 由上式可得
(C4.6.1)
上式表明在壁面上速度廓线的二阶导数与方向的压强梯度符号相同。
如图
C4.6.2所示，在顺压梯度区BC段< 0，由函数微分性质知速度廓线外凸；在
压强极小值点C处，= 0，C点为拐点；在逆压梯度区CE段，>0，速
度廓线内凹，且沿流动方向曲率逐渐增大，拐点上升，至S点，= 0，速度廓线与y轴方向相切；过S点后速度廓线继续内凹，速度变为负值，出现倒流。
SS’线称为间断面，SS’线后为分离区（图C4.6.2）。
(图
C4.6.2)
由上述分析可知，边界层分离的根本原因是粘性的存在（无粘性没有分离现象），分离的条件是逆压梯度的存在，分离的实际发生则是由流体元的滞止和倒流引起的。
[思考题C4.6.1]
3．流动分离实例
凡是存在逆压强梯度条件的边界层流动都可能发生分离，凸曲面绕流的背风面是典型的发生分离部位。
（高尔夫球尾部分离）图C4.6.3为普朗特1943年拍摄的凸壁钝体从静止开始的运动初期边界层发展的情况。
当物体刚起动时逆压梯度很小，流场接近于无粘流（a）；随着物体开始加速，后部逆压梯度增大，在后驻点附近出现分离涡（b）；其后分离点向上游移动（c）；最后分离涡强化为圆形涡（d）。
[思考题C4.6.2]
图C4.6.4 扩张管内的流动是另一个例子。
在扩张管中流速减小，压强增大，形成逆压梯度，图C4.6.5为典型的发生边界层从壁面分离形成旋涡的照片，当初普朗特正是从这一现象中受到启发，后来创立了边界层理论的。
（用氢气泡技术演示二维扩张段壁面分离）
图C4.6.5。