边界层内外流动的特点
流体力学中边界层的概念
流体力学中边界层的概念嘿，朋友！您知道吗？在流体力学这个神奇的领域里，有个叫边界层的概念，那可真是个有趣又重要的家伙！咱们先来说说什么是边界层。
您就想象一下，一条宽阔的河流奔腾向前，河岸边的水流是不是感觉和河中间的不太一样？岸边的水流速度相对较慢，还可能有各种漩涡和回流。
这岸边的水流区域，就有点像流体力学中的边界层。
边界层啊，简单来说，就是流体贴着固体表面流动时，因为固体表面的阻力影响，速度、压力、温度等等特性会发生变化的那一层区域。
就好像咱们跑步的时候，脚边的风跟远处的风感觉不一样，脚边的风受到我们身体的阻碍，速度和方向都有改变，这就有点类似边界层的情况啦！那边界层有啥特点呢？它的厚度通常是逐渐增加的。
您想想，一开始流体刚接触固体表面，受到的影响还小，随着流动距离增加，受到的阻力影响越来越大，边界层不就越来越厚了嘛！这就像我们学习新技能，一开始可能只是有点小困难，随着深入，遇到的问题越来越多，难度也越来越大。
再说说边界层对流体流动的影响。
它就像是个“捣蛋鬼”，会让流体的阻力增加。
飞机在天上飞，轮船在海里跑，要是不考虑边界层的影响，那得多费油啊！这就好比我们走路，如果鞋子不合脚，走起来得多费劲！边界层还和热量传递有关系呢！它会影响流体和固体表面之间的热交换。
您冬天摸暖气，是不是感觉靠近暖气表面的地方最热？这就是边界层在“捣鬼”。
而且，边界层的存在还会影响流体的分离。
比如说在机翼上，如果边界层处理不好，气流可能就会分离，那飞机可就危险啦！这就像骑自行车，速度和平衡掌握不好，就容易摔倒。
怎么样，是不是觉得边界层挺有意思的？它在工程领域的应用可广泛啦！比如设计飞机翅膀、汽车外形，还有管道里的流体输送，都得好好研究边界层。
所以说啊，边界层虽然看不见摸不着，但在流体力学里可是起着至关重要的作用。
咱们要想更好地理解和利用流体的特性，就一定得把边界层这个概念搞清楚！您说是不是这个理儿？。
边界层理论(Boundary layer theory)--西安交大
）之外的流体速度就形成：润湿→附着→内摩擦力→减速→梯度
边界层内：沿板面法向的速度梯度很边界层外：不存在速度梯度或速度梯度
流体在平板上流动时的边界层：
流动边界层：存在着较大速度梯度的流体层区域，即流速降为主体流速的99％以内的区域。
边界层厚度：边界层外缘与壁面间的垂直距离。
层流边界层：在平板的前段，边界层内的流型为层流。
湍流边界层：离平板前沿一段距离后，边界层内的流
直管内：流体须经一定的距离才能形成稳定的边界层。
由于总流量不变，中心流速增加。
边界层占据整个管截面。
与物体的长度相比，边界层的厚度很小；边界层内沿边界层厚度的速度变化非常急边界层沿着流体流动的方向逐渐增厚；
边界层中各截面上的压强等于同一截面上在边界层内粘滞力和惯性力是同一数量级边界层内流体的流动存在层流和紊流两种
圆柱后部：猫眼
扩张管（上壁有抽吸）
B
S′
A
涡，这种旋涡具有一定的脱落频率，称为卡门涡街.
湍流产生的原因：
湍动强度
在模型实验中，模拟湍流，要求雷诺数和湍动强边界层的转变、分离以及热量和质量传递系数等
依微分方程的个数：零方程模型、一方
FLUENT软件在化学处理领域主要可应用 于：
燃烧 干燥 过滤 传热和传质 材料处理 混合 反应 分离 蒸馏 喷射控制 成型 焚化 测量/控制 聚合 沉淀 通风
。
边界层及边界层理论—湍流的特点 共21页
1.5 边界层及边界层理论
一、边界层概念及普兰特边界层理论 二、边界层的形成和发展 三、边界层分离 1.6 湍流的特点 1.7 流速、流量的测量 1.7.1 变压头流量计 1.7.2 变截面流量计
1.5 边界层及边界层理论
一、边界层概念及普兰特边界层理论
普 兰 特 边 界 层 理 论 的 主 要 内 容 ：
文 丘 里 流 量 计 的 缺 点 ： 加 工 比 孔 板 复 杂 ， 因 而 造 价 高 ， 且 安 装 时 需 占 去 一 定 管 长 位 置 ， 优 点 ： 其 永 久 损 失 小 ， 故 尤 其 适 用 于 低 压 气 体 的 输 送 。
孔 流 系 数
Vu0A0C0A0
2gR 0
影 响 孔 流 系 数 C0的 因 素 ： A 0/A 1、 雷 诺 数 Re1=du1/、 取 压 位 置 、 孔 口 的 形 状 、 加 工 精 度 。 需 由 实 验 确 定 。
孔板一定时：
0 .8 4
0 .8 2
C0
f Re1,
A0 A1
0 .8 0 0 .7 8 0 .7 6
C 0 0 .7 4
0 .72
C 0 值 多 在 0 . 6 至 0 . 7 之 间 00 ..67 80
0 .6 6
0 .6 4
0 .6 2
0 .6 0
3
104
105
106
R e1
孔 流 系 数 C 0 与 R e1 及 A 0/A 1 的 关 系
压 力 逐 渐 减 小
y
压 力 逐 渐 增 大
y
y
A
S 分离点
D
E
1.6 湍流的特点 -----脉动 fluctuation
边界层流动
z
0
与惯性力、黏性力相比，忽略重
力的影响，即
Y 0 ( X 0, Z 0)
依此已知条件，可对不可压缩流 体的N-S方程(2-45)和连续性方程(2-20)进行简化。
x 方向 N-S 方程
ux
ux x
uy
ux y
uz
ux z
X
1
p x
2ux x2
2ux y 2
2ux z 2
.........2. 45a
Prandtl 认为，在壁面附近区域存在着一薄的流体层，在该层 流体中与流动相垂直的方向上的速度梯度很大。这样的一层流体称 为边界层。
在边界层内，惯性力与黏性力量级相同，绝不能忽略黏性力的 作用，即把流动视作黏性流体的有旋流动。
在边界层以外的区域(主流区域)，流体的速度梯度极小，在该 区域中可以忽略黏性力的作用，将其视为理想流体的有势流动。
1
p y
2u y x 2
2u y y 2
.........4. 6b
连续性方程
ux uy uz 0......... ..2 20
x y z
简化为
ux uy 0......... ..4 7
x y
式(4-6a)、式(4-6b)和式(4-7)构成二阶非线性偏微分方程组。
依据大 Re 数下边界层流动的两个重要性质: (1)与物体的特征尺寸相比，边界层的厚度要小得多； (2)边界层内的黏性力与惯性力的量级相同。
三、边界层的形成过程
黏性流体沿平板壁面的流动
边界层的形成和发展。
• 临界距离 xc： 由层流边界层开始转变
为湍流边界层的距离。
xc 的大小与壁面前缘的 形状、壁面的粗糙度、流体
流体流动、传热边界层
流体主要特征
1. 流动性； 2. 无固定形状，随容器形状而变化； 3. 受外力作用时内部产生相对运动。
流体种类
1. 不可压缩性流体：流体的体积不随压强而变化，受热时 不可压缩性流体： 体积膨胀不显著。 2. 可压缩性流体 ：流体的体积随压强和温度发生显著变化。 可压缩性流体： 一般液体的体积随压强和温度变化很小，可视为不可压 缩性流体；而对于气体，当压强和温度变化时，体积会有较 大的变化，常视为可压缩性流体，但如果压强和温度的变化 率不大时，该气体也可近似地按不可压缩性流体处理。
22
∆p du = − ⋅ r ⋅ dr 2µl
∆p r2 µ =− +c 2µl 2
∆p 2 ⋅R 当r = R， = 0时 c = u 4µl ∆p 2 R−r ∴u = 4µl
(
)
r = 0时，u = umax
∆p 2 ⋅R 代入上式得： umax = 4µl
r2 u = umax1− 2 R
Re = duρ
µ
流体在圆管内的速度分布
层流时的速度分布
图1-19 层流时的速度分布
层流时，流体层间的剪应力服从牛顿粘性定律，平 均速度与管中心最大速度之比u/umax等于0.5。
14
湍流时的速度分布
湍流时的速度分布
基本特征是出现了径向脉动速度，使得动量 传递较之层流大得多。此时剪应力不服从牛顿粘 性定律表示，但可写成相仿的形式： . du τ e = ( µ + e)
流 体 流 动、传热边界层
1
基础知识
连续介质假定
流体质点： 流体质点：由大量分子构成的微团，其尺寸远小于设备尺寸， 质点 但却远大于分子自由程。 连续介质：质点在流体内部紧紧相连，彼此间没有间隙，即 连续介质： 流体充满所占空间。 在研究流体流动时，常摆脱复杂的分子运动和分子 间相互作用，从宏观角度出发，将流体视为由无数流体 质点（或微团）组成的连续介质。
流体力学中的边界层理论
流体力学中的边界层理论流体力学是研究流体运动和相互作用的学科。
在流体力学中，边界层理论是一个重要的概念，它描述了流体靠近固体壁面时的流动特性。
本文将介绍流体力学中的边界层理论，从基本原理到应用实例，全面探讨这一理论的重要性和实际价值。
一、边界层现象的定义和意义在流体力学中，边界层是指流体流动中靠近固体表面的一层，其流动特性与远离边界的无限远处的流体不同。
边界层现象的产生和发展对于很多实际问题都具有重要意义。
例如，当空气流过汽车的外表面时，边界层的存在会对气流的分离和阻力产生影响。
准确理解和掌握边界层理论，对于优化设计和改善物体运动性能具有重要作用。
二、边界层理论的基本原理1. 平衡条件边界层理论的基本假设是边界层内的流动是定常流动和局部平衡的。
在这一假设下，可以利用物理量的守恒方程和牛顿运动定律来进行分析和计算。
2. 边界层方程边界层方程是描述边界层内流体运动的关键方程组。
它包括连续性方程、动量方程和能量方程。
这些方程考虑了流体内部各个物理量的平衡和变化，并通过求解边界层方程组可以得到流体在边界层内的运动状态。
3. 粘性效应粘性是边界层理论考虑的一个重要因素。
由于流体的粘性特性，边界层会出现剪切应力和速度剖面变化。
这些粘性效应对于固体表面的摩擦力和阻力产生重要影响，因此必须在边界层理论中加以考虑。
三、边界层理论的应用实例1. 空气动力学在航空航天工程中，边界层理论被广泛应用于翼型设计和气动力分析。
通过准确计算边界层内的流动特性，可以优化飞行器的升力和阻力性能，提高飞行效率。
2. 水力学在水力学领域，边界层理论被用于河流和水泥工程的设计和分析。
通过控制边界层内的水流运动，可以减小底摩擦阻力，提高水流的输送能力。
3. 汽车工程在汽车设计中，边界层理论被用于研究车体表面的空气流动。
通过优化车体形状和减小边界层厚度，可以降低空气阻力，提高汽车的燃油经济性。
四、结语流体力学中的边界层理论是研究流体流动与固体界面相互作用的重要理论框架。
边界层流动
2022/8/29
• 则边界层内由于黏性影响使质量流量减少的总量为 • 该量若用ρ∞ V∞ δ * 表示，则等于图7−5（b）中宽为V∞ 、高为δ *的
矩形面积乘以ρ∞ 。也就是说，边界层黏性影响所减少的质量流量， 相当于理想流体以速度V∞ 流过物面时物体表面向外移动了距离δ *所 减少的流量，如图 7−5（b）所示。故δ *就是位移厚度或排挤厚度。 •由
• 无黏（理想流体）流动应占通道该加宽的部分。位移厚度δ *的意义： 若将绕流物体表面各处向外移动δ *距离，对这样修正所得的等效外形， 采用理想流体理论计算，所得压强分布较好地计及了黏性影响。
• 一般情况下δ *是δ 的几分之一。
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7.2 边界层的厚度
• 7.2.3 边界层动量损失厚度 δ **
• 边界层内流动状态为层流时，称为层流边界层；当边界层内流动为湍 流时，称为湍流边界层；从层流变为湍流的过渡段，称为转捩区（或 过渡区），如图7-3 所示。
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7.2 边界层的厚度
• 7.2.1 边界层厚度 δ
• 设直匀流 V∞ 以零迎角平行流过一块长度为l 的平板，如图7−4 所示。 由于流体有黏性，在任一位置x 处，平板表面上的速度为零，其他各 点的流速则随y 的增大而逐渐增大。从理论上讲，只有当y→∞时，速 度才等于V∞ 。不过，速度的增大主要集中在x 轴附近的边界层内。
流体流动中的边界层研究
流体流动中的边界层研究边界层是流体流动过程中一个非常重要的现象。
在流体流动的过程中，由于粘性的存在，流体会在靠近固体表面形成一个粘性较大的区域，我们称之为边界层。
边界层的研究对于了解流体流动行为、改善流体流动性能以及预测流体流动中的阻力非常关键。
边界层研究的目的是探究在流体流动过程中，边界上的速度、压力和温度等物理量随距离的变化规律。
边界层是一种非常薄的区域，在流动物体表面附近，流体流动的性质会发生显著的变化。
边界层的研究不仅可以帮助我们理解流体流动现象的本质，还可以为工程设计和优化提供依据。
边界层的研究内容包括边界层的形成机理、边界层厚度的计算、边界层的发展和分离、边界层中的速度分布和剪切应力等。
边界层的形成主要是由于粘性的影响，粘性力会阻碍流体靠近物体表面的自由流动，从而形成一个粘性较大的区域。
边界层的厚度取决于流体的粘性和流动速度，可以通过流体力学方程和实验手段进行计算和测量。
边界层的发展过程可以分为两个阶段，即层流边界层和湍流边界层。
在层流边界层中，流体流动的速度分布遵循层流条件，流速逐渐减小到零。
在湍流边界层中，由于流体流动的不稳定性，流速会出现剧烈的波动，流动状态混乱不规则。
边界层的发展和分离对于减小阻力、改善流动性能非常重要。
在高速流动和复杂几何体的情况下，边界层的分离现象会导致阻力增大，因此需要通过研究边界层的发展和控制手段，降低流体流动中的阻力。
边界层中的速度分布和剪切应力也是边界层研究的重要内容。
由于边界层的粘性，流体流动的速度会随着距离的增加而增加。
在边界层的内部，由于剪切力的作用，会产生剪切应力。
研究边界层中速度的分布和剪切应力的变化规律，可以帮助我们了解流体在不同条件下的流动特性，为工程设计和流体力学问题的解决提供依据。
综上所述，边界层的研究对于理解流体流动行为、改善流体流动性能以及预测流体流动中的阻力等方面具有重要意义。
边界层的形成机理、厚度计算、发展和分离、速度分布和剪切应力等内容是边界层研究的重点。
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边界层内外流动的特点
边界层是指地球表面的气象层，它与地面的摩擦作用和大气绕流相互
作用，形成了气候和天气等现象。
边界层的内外流动是边界层流体动力学
中的一个重要现象，它具有以下几个特点。
1.边界层的内外流动存在着不同的运动特性。
边界层内的流动主要受
到地面摩擦力的影响，流速较低，流线密集且弯曲，流动较为复杂。
而边
界层外的流动则主要受到地转偏向力的影响，流速较高，流线较直，流动
较为简单。
2.边界层的内外流动对能量传输和质量交换有不同的贡献。
边界层内
的流动主要通过湍流的方式将能量和质量从地面向上输送，对于地表的冷
热平衡和水汽输送起着重要作用。
而边界层外的流动主要通过大气环流来
实现能量和质量的传输，对于全球气候和天气系统的演变具有重要影响。
3.边界层的内外流动还具有不同的空间和时间尺度。
边界层内的流动
尺度较小，通常在几十米至几千米之间，时间尺度也较短，通常在几分钟
至几小时之间。
而边界层外的流动尺度较大，通常在几百至几千千米之间，时间尺度也较长，通常在几天至几个月之间。
4.边界层的内外流动还存在着耦合和相互影响的关系。
边界层内的湍
流在一定程度上影响着边界层外的大气环流，而边界层外的大气环流又通
过气候系统的变化反过来影响边界层内的流动。
这种耦合和相互影响的关
系使得边界层的内外流动在气象学、气候学和大气环流研究中都具有重要
意义。
总的来说，边界层的内外流动具有运动特性不同、贡献不同、尺度不
同和相互影响等特点。
深入研究和理解边界层的内外流动对于气象学、气
候学和大气环流研究具有重要意义，也有助于提高对地球气候和天气变化的预测能力。