第七章 粘性流体动力学基础精选文档.ppt
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1、第七章 粘性流体动力学基础1本讲稿第一页,共四十六页 本节建立边界层的动量积分关系式,首先将边界层方程在边界层厚本节建立边界层的动量积分关系式,首先将边界层方程在边界层厚度度 的区间上积分,得:的区间上积分,得:(7-42a)将上式左端的被积函数的第一项改为:将上式左端的被积函数的第一项改为:根据连续方程:根据连续方程:2本讲稿第二页,共四十六页所以式(所以式(7-42a)的左端可写成:)的左端可写成:3本讲稿第三页,共四十六页式(式(7-42a)的右端两项分别为:)的右端两项分别为:式中:式中:平板表面处的切应力。平板表面处的切应力。所以式(所以式(7-42a)可写成:)可写成:(7-42b
2、)4本讲稿第四页,共四十六页(7-42b)根据连续方程应有下列关系:根据连续方程应有下列关系:即即将上式代入式(将上式代入式(7-42b)得:)得:(7-42c)5本讲稿第五页,共四十六页根据莱布尼兹公式,则有:根据莱布尼兹公式,则有:(7-42c)将以上两个式子代入式将以上两个式子代入式(7-42c)中,并整理得:中,并整理得:6本讲稿第六页,共四十六页利用利用7本讲稿第七页,共四十六页最后整理得:最后整理得:(7-43)当当 时,时,与与 基本相等,故上式中的各积分上限可改写成基本相等,故上式中的各积分上限可改写成 ,于是有:,于是有:根据边界层排挤厚度及动量损失厚度的定义,上式可写成:根
3、据边界层排挤厚度及动量损失厚度的定义,上式可写成:8本讲稿第八页,共四十六页展开整理后得:展开整理后得:(7-44)式(式(7-44)即为边界层动量积分关系式。任何一个能满足此方程的速)即为边界层动量积分关系式。任何一个能满足此方程的速度分布度分布 都是在物理上的一个真实流动所应有的近似速度分都是在物理上的一个真实流动所应有的近似速度分布。该方程既适用于层流也适用于紊流。布。该方程既适用于层流也适用于紊流。9本讲稿第九页,共四十六页(7-44)外流为已知时,方程(外流为已知时,方程(7-44)中包含三个未知数:)中包含三个未知数:尚需补充两个方程。根据经验,补充关于尚需补充两个方程。根据经验,
4、补充关于 的两个假定关的两个假定关系式,假定接近实际分布至关重要。系式,假定接近实际分布至关重要。上面是采用比较数学的方法从上面是采用比较数学的方法从Prantle边界层方程导出动量积分方边界层方程导出动量积分方程,还可以用物理概念十分清楚的动量定理来推导有限厚度理论中的卡程,还可以用物理概念十分清楚的动量定理来推导有限厚度理论中的卡门动量积分方程。门动量积分方程。10本讲稿第十页,共四十六页 前面我们介绍了边界层的基本概念,并建立了边界层内流动参前面我们介绍了边界层的基本概念,并建立了边界层内流动参数的微分、积分关系式。下面应用这些基本理论,讨论顺流放置的数的微分、积分关系式。下面应用这些基
5、本理论,讨论顺流放置的平板上面的边界层流动。平板上面的边界层流动。当来流流过平板时,起始层段总维持有一段层流边界层,然当来流流过平板时,起始层段总维持有一段层流边界层,然后随着离开板起始端距离后随着离开板起始端距离X的增加,雷诺数的增加,雷诺数 逐渐增大,当逐渐增大,当 达到一定临界值达到一定临界值 时,层流就会转变为紊流。时,层流就会转变为紊流。第七节第七节 平板边界层计算平板边界层计算边界层流态转变点的坐标边界层流态转变点的坐标对于平板:对于平板:一般可取:一般可取:11本讲稿第十一页,共四十六页 如果整个平板边界层流动全处于层流状态,则叫如果整个平板边界层流动全处于层流状态,则叫平板层平
6、板层流边界层流边界层。如果平板边界层内既含有层流段有含有紊流段,但层。如果平板边界层内既含有层流段有含有紊流段,但层流段所占比重很小,可不单独处理,而把它一并按紊流处理,则流段所占比重很小,可不单独处理,而把它一并按紊流处理,则此边界层称为此边界层称为平板紊流边界层平板紊流边界层。平板边界层外的势流速度为一常数平板边界层外的势流速度为一常数 ,于是边界层动量积分关,于是边界层动量积分关系式可简化为:系式可简化为:(7-45)上式中仍包含三个未知数:上式中仍包含三个未知数:尚需补充两个方程。尚需补充两个方程。12本讲稿第十二页,共四十六页一、不可压缩流体平板层流边界层的近似计算一、不可压缩流体平
7、板层流边界层的近似计算当当时,时,流态转变点位置超出平板的长度以外,此时整个平板边界流态转变点位置超出平板的长度以外,此时整个平板边界层流动处于层流状态。层流动处于层流状态。第一补充关系式:第一补充关系式:由于在边界层中不同由于在边界层中不同X处都有相似的速度剖面,故可设:处都有相似的速度剖面,故可设:现取现取n=3,则有:,则有:为待定常数,由边界层内、外边界条件确定。为待定常数,由边界层内、外边界条件确定。13本讲稿第十三页,共四十六页确定确定在在y=0处:处:(1)在平板表面在平板表面y=0处:处:由边界层方程:由边界层方程:(2)(4)(3)在在 处:处:在在 处:处:由上述四个边界条
8、件定出由上述四个边界条件定出 为:为:14本讲稿第十四页,共四十六页得第一补充关系式为:得第一补充关系式为:(A)第二补充关系式为:第二补充关系式为:(B)对上式求导对上式求导将(将(A)()(B)与式()与式(7-45)联立求解,即可求出)联立求解,即可求出15本讲稿第十五页,共四十六页先计算先计算将上两式代入卡门动量积分关系式得:将上两式代入卡门动量积分关系式得:16本讲稿第十六页,共四十六页将上式分离变量得:将上式分离变量得:由边界条件:由边界条件:可见,可见,17本讲稿第十七页,共四十六页平板表面的切应力为:平板表面的切应力为:平板表面局部切应力系数为:平板表面局部切应力系数为:流体作
9、用于长为流体作用于长为L、宽为、宽为b的平板上的总摩擦阻力(单面):的平板上的总摩擦阻力(单面):可见,可见,18本讲稿第十八页,共四十六页总摩擦阻力系数:总摩擦阻力系数:积分方程的解:积分方程的解:更精确的解是微分方程的解:更精确的解是微分方程的解:19本讲稿第十九页,共四十六页例例7-1:有一块长有一块长L=1m,宽,宽b=0.5m的平板,在水中沿长度方向以的平板,在水中沿长度方向以 的速度运动,如果水的运动粘度的速度运动,如果水的运动粘度 密度密度 计算平板所计算平板所遭受的阻力有多大?遭受的阻力有多大?20本讲稿第二十页,共四十六页解:解:(1)求流态转变点的坐标)求流态转变点的坐标(
10、2)判别流态)判别流态故平板边界层为层流。故平板边界层为层流。(3)取定阻力系数)取定阻力系数由于平板边界层为层流,故阻力系数可取为:由于平板边界层为层流,故阻力系数可取为:(4)平板遭受之阻力)平板遭受之阻力21本讲稿第二十一页,共四十六页二、平板紊流边界层的近似计算二、平板紊流边界层的近似计算 从平板动量积分方程(从平板动量积分方程(7-45)出发进行平板紊流边界层的计)出发进行平板紊流边界层的计算,仍需补充两个关系式。这个问题目前还不能从理论上解决,算,仍需补充两个关系式。这个问题目前还不能从理论上解决,Prantle认为:可以将沿平板边界层内的紊流流动与圆管内的紊流认为:可以将沿平板边
11、界层内的紊流流动与圆管内的紊流流动进行类比,而圆管内的紊流流动已被完整地研究过,其运动流动进行类比,而圆管内的紊流流动已被完整地研究过,其运动规律已经清楚。注意以下相当关系:规律已经清楚。注意以下相当关系:1、平板来流速度、平板来流速度 管轴上最大速度管轴上最大速度2、边界层厚度、边界层厚度 圆管半径圆管半径(7-45)22本讲稿第二十二页,共四十六页第一补充关系式:第一补充关系式:第二补充关系式:第二补充关系式:(A)(B)思考题:思考题:为什么不能用为什么不能用 求出求出紊流切应力紊流切应力=粘性切应力粘性切应力+雷诺切应力雷诺切应力23本讲稿第二十三页,共四十六页将(将(A)()(B)与
12、式()与式(7-45)联立求解,即可求出)联立求解,即可求出先计算先计算将上两式代入卡门动量积分关系式得:将上两式代入卡门动量积分关系式得:24本讲稿第二十四页,共四十六页在在 的条件下积分上式得:的条件下积分上式得:可见对于紊流边界层可见对于紊流边界层 ,比层流边界层厚度增长快得多。,比层流边界层厚度增长快得多。25本讲稿第二十五页,共四十六页流体作用于长为流体作用于长为L、宽为、宽为b的平板上的总摩擦阻力(单面):的平板上的总摩擦阻力(单面):总摩擦阻力系数:总摩擦阻力系数:更精确的解为:更精确的解为:(7-81)建议采用公式(建议采用公式(7-81),适用条件:),适用条件:26本讲稿第
13、二十六页,共四十六页与实验结果比较,当与实验结果比较,当 时,式(时,式(7-81)不再准确,实)不再准确,实际上此时紊流边界层内的速度分布不再服从际上此时紊流边界层内的速度分布不再服从1/7次方规律,而是次方规律,而是服从对数分布规律,因此:服从对数分布规律,因此:当当 时,时,27本讲稿第二十七页,共四十六页三、平板混合边界层的近似计算三、平板混合边界层的近似计算 上述在平板紊流边界层的计算中,认为紊流边界层是从平上述在平板紊流边界层的计算中,认为紊流边界层是从平板前缘开始的。实际上在平板前部总存在一段层流边界层,只板前缘开始的。实际上在平板前部总存在一段层流边界层,只是在转捩点后,才变成
14、紊流,这种边界层称为是在转捩点后,才变成紊流,这种边界层称为混合边界层混合边界层。相对应某点处,在该点之前作相对应某点处,在该点之前作层流边界层处理,在该点之后层流边界层处理,在该点之后作紊流边界层处理。作紊流边界层处理。在转捩区中流动形态很复杂,在转捩区中流动形态很复杂,很难用层流或紊流边界层的方很难用层流或紊流边界层的方法计算其中的速度分布及阻力,法计算其中的速度分布及阻力,一般假定转捩发生在与一般假定转捩发生在与28本讲稿第二十八页,共四十六页层流段的存在减少了总阻力,考虑到这部分减少,摩擦阻力系层流段的存在减少了总阻力,考虑到这部分减少,摩擦阻力系数数 应予以修正。应予以修正。式中:式
15、中:对于不同的对于不同的 A的取值不同,见下表:的取值不同,见下表:A320105017003300870029本讲稿第二十九页,共四十六页例例7-2:有一平板长有一平板长L=5m,宽,宽b=2m,在空气中沿长度方向以,在空气中沿长度方向以 的速度运动,如果空气的运动粘度为的速度运动,如果空气的运动粘度为 计算平板运动时所遭受的摩擦计算平板运动时所遭受的摩擦阻力有多大?阻力有多大?30本讲稿第三十页,共四十六页解:解:(1)确定流态转变点的坐标)确定流态转变点的坐标(2)判别流态)判别流态故平板为混合边界层。故平板为混合边界层。(3)取定阻力系数)取定阻力系数由于平板为混合边界层,故阻力系数可
16、取为:由于平板为混合边界层,故阻力系数可取为:(4)平板遭受之阻力(双面)平板遭受之阻力(双面)31本讲稿第三十一页,共四十六页作业:作业:7-97-1032本讲稿第三十二页,共四十六页 本章中重点讨论了平板边界层,但这只是最简单的一种边界层流本章中重点讨论了平板边界层,但这只是最简单的一种边界层流动。在平板绕流中,势流流场中的压强及速度保持为常数,而当固体动。在平板绕流中,势流流场中的压强及速度保持为常数,而当固体壁面为曲线时,压强会沿程变化。逆压梯度区将有可能产生边界层分壁面为曲线时,压强会沿程变化。逆压梯度区将有可能产生边界层分离现象。离现象。第八节第八节 边界层分离及减阻边界层分离及减
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