《边界层理论》课件.ppt

《边界层理论》边界层理论解释了流体流经固体表面时产生的流动现象。在边界层内，流体速度从固体表面处的零值逐渐增加到外部流体的速度。

概述流体力学分支边界层理论是流体力学的重要分支之一，研究粘性流体在固体边界附近流动时的现象。应用广泛该理论在航空航天、机械、建筑等领域有着广泛的应用，例如飞机设计、风力发电、桥梁建设等。持续发展边界层理论仍在不断发展，新的研究成果不断涌现，为我们提供了更深入的理解和更广泛的应用。

什么是边界层边界层是流体运动中，靠近固体壁面的一层薄薄的流体层。流体在固体表面附近，受到粘性力的影响，速度会减慢。边界层内，流体速度从壁面的零速度逐渐过渡到外部流体的速度。边界层内的流体运动状态非常复杂，受到粘性力、惯性力、压力梯度等因素的影响。

边界层的产生1流体黏性流体内部存在黏性，导致流体层间相互摩擦。2速度梯度固体表面速度为零，流体内部速度逐渐增加。3边界层形成由于黏性作用，流体在固体表面附近形成一层薄薄的层。4边界层特征速度梯度显著，黏性力起主要作用。

边界层厚度边界层厚度是指从物体表面到流体速度达到自由流速度99%处的距离。边界层厚度是表征边界层发展程度的重要参数，它与物体的形状、流体性质和流动速度有关。边界层厚度并非固定值，会随距离物体的表面距离而变化。在靠近物体表面的区域，边界层厚度较小，随着距离的增加，边界层厚度逐渐增大。边界层厚度可以通过实验测量或理论计算得到。0.1mm微米级流体运动处于层流状态1mm毫米级流体运动处于湍流状态

黏性边界层黏性流体流体具有黏性，在流动过程中会产生内摩擦力。黏性边界层是边界层中黏性力起作用的区域，是流动速度急剧变化的区域。速度梯度边界层中，流体速度从固体表面的零速度到自由流速度发生急剧变化，形成一个速度梯度。摩擦力由于流体黏性，速度梯度导致边界层内产生摩擦力，摩擦力会影响物体表面的流动状态和阻力。边界层厚度黏性边界层厚度是指从固体表面到流体速度达到自由流速度的99%的距离。

动量边界层1动量交换动量边界层反映的是流体与固体之间的动量交换。2粘性力粘性力的作用导致了动量从流体中传递到固体。3速度变化速度边界层内，流体的速度从固体表面为零逐渐增加到自由流的速度。4动量损失由于粘性力导致动量的损失，流体在边界层内会受到阻力。

热量边界层热量边界层概述热量边界层是指流体与固体表面之间由于温度差而产生的薄层。热量传递机制热量通过热传导、对流和辐射三种方式传递到固体表面，形成热量边界层。温度分布热量边界层内，温度随距离固体表面的距离而变化，形成温度梯度。

边界层流型边界层流型指边界层内的流动状态，主要分为层流边界层和湍流边界层。层流边界层中，流体粒子沿平行的直线运动，而湍流边界层中，流体粒子呈现不规则的随机运动。两种流型的主要区别在于流体的流动状态、能量耗散和热量传递方式。

层流边界层层流边界层特征流体层之间没有明显混合，流体颗粒沿着平滑的路径流动。层流边界层通常出现在低速、低雷诺数的流动中。层流边界层优点流动阻力较小，热传递效率较高。有利于提高设备效率和减少能量消耗。

湍流边界层混合剧烈湍流边界层中，流体微团频繁碰撞，混合剧烈，导致速度、温度、浓度等物理量快速变化。流动不稳定湍流边界层流动不稳定，难以用解析方法进行精确求解，需借助数值模拟或实验方法进行研究。应用广泛大多数实际工程问题中，边界层流动都属于湍流边界层，例如飞机机翼、风力发电机叶片等。

边界层的平衡方程1控制方程边界层理论主要基于三大控制方程，包括连续性方程、动量方程和能量方程，用于描述边界层内流体运动和热量传递的规律。2简化假设为了简化边界层方程的求解，通常引入一些假设，例如边界层厚度远小于流体特征长度，黏性应力在法向方向上占主导地位等。3边界条件边界层方程需要与边界条件相结合才能得到完整的解。常见的边界条件包括固壁边界条件、外流边界条件和远场边界条件。

动量边界层平衡方程动量边界层平衡方程是描述流体在边界层内的动量变化规律的数学方程。它基于动量守恒定律，并考虑了流体的黏性作用和边界层的厚度变化。这个方程可以用来预测边界层的厚度、速度分布和摩擦力等重要参数。动量边界层平衡方程是边界层理论的重要基础，它在流体力学、航空航天、气象学等领域有着广泛的应用。

热量边界层平衡方程方程描述ρCp(?T/?t+u?T/?x+v?T/?y)=?(k?T/?y)/?y该方程描述了热量在边界层内的传递和扩散ρCp流体的密度和比热容T温度u,v流体的速度分量k流体的热传导系数y垂直于壁面的方向

边界层控制11.主动式控制主动式控制通过外力改变边界层特征，例如吹气或吸气。22.被动式控制被动式控制通过改变物体表面形状来影响边界层流动，例如增加表面粗糙度。33.减少阻力边界层控制可以有效减少物体表面阻力，提高飞行器或船舶效率