湍流流动及附面层理论.pptx

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1、1湍流基本理论湍流基本理论层流层流层流层流湍流湍流湍流湍流流体微团保持平行层状运动流体微团保持平行层状运动流体微团保持平行层状运动流体微团保持平行层状运动横向掺混由分子微观热运动导致横向掺混由分子微观热运动导致横向掺混由分子微观热运动导致横向掺混由分子微观热运动导致巨量分子群组成的流体微团做大尺度的无规则巨量分子群组成的流体微团做大尺度的无规则巨量分子群组成的流体微团做大尺度的无规则巨量分子群组成的流体微团做大尺度的无规则/随机随机随机随机/旋涡旋涡旋涡旋涡运动运动运动运动不同尺度的涡不同尺度的涡不同尺度的涡不同尺度的涡团团团团掺混导致掺混导致掺混导致掺混导致强烈的强烈的强烈的强烈的能量能量能

2、量能量/热量交换热量交换热量交换热量交换/传输传输传输传输机械能量耗散机械能量耗散机械能量耗散机械能量耗散转捩转捩转捩转捩 过渡态过渡态过渡态过渡态粘性流体的两种流态粘性流体的两种流态粘性流体的两种流态粘性流体的两种流态三维空间旋涡运动三维空间旋涡运动三维空间旋涡运动三维空间旋涡运动非线性涡拉伸非线性涡拉伸非线性涡拉伸非线性涡拉伸旋涡空间尺度旋涡空间尺度旋涡空间尺度旋涡空间尺度脉动速度频率脉动速度频率脉动速度频率脉动速度频率连续扩展至一定范围连续扩展至一定范围连续扩展至一定范围连续扩展至一定范围黏性力黏性力黏性力黏性力最小尺度最小尺度最小尺度最小尺度最大尺度与流动空间量级相同最大尺度与流动空间

3、量级相同最大尺度与流动空间量级相同最大尺度与流动空间量级相同黏性作用占优黏性作用占优黏性作用占优黏性作用占优切应力消耗扰动动能切应力消耗扰动动能切应力消耗扰动动能切应力消耗扰动动能层流层流层流层流扰动动能占优扰动动能占优扰动动能占优扰动动能占优切应力不足以消耗扰动动能切应力不足以消耗扰动动能切应力不足以消耗扰动动能切应力不足以消耗扰动动能湍流湍流湍流湍流附加湍流附加湍流附加湍流附加湍流/雷诺应力雷诺应力雷诺应力雷诺应力黏性应力黏性应力黏性应力黏性应力瞬时速度瞬时速度瞬时速度瞬时速度=平均速度平均速度平均速度平均速度+脉动速度脉动速度脉动速度脉动速度时间统计平均速度时间统计平均速度时间统计平均速

4、度时间统计平均速度时间平均周期时间平均周期时间平均周期时间平均周期特征时间特征时间特征时间特征时间时间平均周期内平均速度恒定时间平均周期内平均速度恒定时间平均周期内平均速度恒定时间平均周期内平均速度恒定湍流强度湍流强度湍流强度湍流强度脉动各向同性假设脉动各向同性假设脉动各向同性假设脉动各向同性假设流场参数以高频率做不规则脉动流场参数以高频率做不规则脉动流场参数以高频率做不规则脉动流场参数以高频率做不规则脉动大尺度旋涡级联方式破裂大尺度旋涡级联方式破裂大尺度旋涡级联方式破裂大尺度旋涡级联方式破裂粘性可耗散的稳定小涡粘性可耗散的稳定小涡粘性可耗散的稳定小涡粘性可耗散的稳定小涡第1页/共12页2定义

5、定义定义定义湍流方程及湍流湍流方程及湍流湍流方程及湍流湍流方程及湍流/雷诺应力雷诺应力雷诺应力雷诺应力不可压湍流平均运动方程不可压湍流平均运动方程不可压湍流平均运动方程不可压湍流平均运动方程第2页/共12页3基本运算基本运算基本运算基本运算 雷诺应力张量雷诺应力张量雷诺应力张量雷诺应力张量 雷诺方程雷诺方程雷诺方程雷诺方程新增新增新增新增6 6个未知量个未知量个未知量个未知量第3页/共12页4 雷诺应力的物理意义雷诺应力的物理意义雷诺应力的物理意义雷诺应力的物理意义黏性应力黏性应力黏性应力黏性应力雷诺应力雷诺应力雷诺应力雷诺应力分子热运动分子热运动分子热运动分子热运动巨量分子群巨量分子群巨量分

6、子群巨量分子群/涡团湍流脉动涡团湍流脉动涡团湍流脉动涡团湍流脉动界面两侧界面两侧界面两侧界面两侧动量交换动量交换动量交换动量交换/传输传输传输传输y y向脉向脉向脉向脉动速度动速度动速度动速度旋涡运动旋涡运动旋涡运动旋涡运动低速流层低速流层低速流层低速流层高速流层高速流层高速流层高速流层涡团涡团涡团涡团应力应力应力应力界面面积界面面积界面面积界面面积x x向向向向超出速度超出速度超出速度超出速度质量质量质量质量x x向动量变化向动量变化向动量变化向动量变化上上上上层层层层下层下层下层下层上上上上层层层层下层下层下层下层真实脉动运动真实脉动运动真实脉动运动真实脉动运动平均处理平均处理平均处理平均

7、处理脉动动量折算脉动动量折算脉动动量折算脉动动量折算想象平均运动界面想象平均运动界面想象平均运动界面想象平均运动界面作用力作用力作用力作用力雷诺应力雷诺应力雷诺应力雷诺应力黏性应力黏性应力黏性应力黏性应力 湍流模型湍流模型湍流模型湍流模型普朗特混合长度模型普朗特混合长度模型普朗特混合长度模型普朗特混合长度模型与黏性应力同号与黏性应力同号与黏性应力同号与黏性应力同号旋涡黏度旋涡黏度旋涡黏度旋涡黏度流体物理性质流体物理性质流体物理性质流体物理性质流动情况流动情况流动情况流动情况如与速度一次方有关如与速度一次方有关如与速度一次方有关如与速度一次方有关设设设设脉动脉动脉动脉动上层涡团上层涡团上层涡团上

8、层涡团下层下层下层下层在在在在y y向向向向l l距离内距离内距离内距离内不变不变不变不变同一界面处脉动量同一界面处脉动量同一界面处脉动量同一界面处脉动量平均运动平均运动平均运动平均运动平行平行平行平行湍流流动湍流流动湍流流动湍流流动l l称混合长度称混合长度称混合长度称混合长度冯冯冯冯.卡门卡门卡门卡门 为冯为冯为冯为冯.卡门常数卡门常数卡门常数卡门常数第4页/共12页5附面层理论附面层理论壁面处壁面处壁面处壁面处V=0V=0黏性黏性黏性黏性内摩擦力内摩擦力内摩擦力内摩擦力匀速来流匀速来流匀速来流匀速来流静止平板静止平板静止平板静止平板主流区主流区主流区主流区V=0.99VV=0.99V 速

9、度梯度速度梯度速度梯度速度梯度附面层附面层附面层附面层边界层边界层边界层边界层附面层附面层附面层附面层单位质量流体所受惯性力单位质量流体所受惯性力单位质量流体所受惯性力单位质量流体所受惯性力单位质量流体所受粘性力单位质量流体所受粘性力单位质量流体所受粘性力单位质量流体所受粘性力ReRe 二维条件二维条件二维条件二维条件x x向动量方程向动量方程向动量方程向动量方程黏性力黏性力黏性力黏性力不可忽略不可忽略不可忽略不可忽略附面层内附面层内附面层内附面层内流向流向流向流向通常相对较小通常相对较小通常相对较小通常相对较小附面层内流动特征附面层内流动特征附面层内流动特征附面层内流动特征黏性力黏性力黏性力

10、黏性力旋涡旋涡旋涡旋涡法向法向法向法向粘性较小流体绕流物体粘性较小流体绕流物体粘性较小流体绕流物体粘性较小流体绕流物体粘性影响仅限于贴近壁面薄层粘性影响仅限于贴近壁面薄层粘性影响仅限于贴近壁面薄层粘性影响仅限于贴近壁面薄层在此之外可忽略其影响在此之外可忽略其影响在此之外可忽略其影响在此之外可忽略其影响/势流势流势流势流普朗特假设普朗特假设普朗特假设普朗特假设逆压梯度逆压梯度逆压梯度逆压梯度分离分离分离分离附面层内旋涡附面层内旋涡附面层内旋涡附面层内旋涡带入尾流带入尾流带入尾流带入尾流理论计算结果理论计算结果理论计算结果理论计算结果 实验结果实验结果实验结果实验结果忽略粘性的忽略粘性的忽略粘性的

11、忽略粘性的理想流体理想流体理想流体理想流体？单位质量流体惯性力单位质量流体惯性力单位质量流体惯性力单位质量流体惯性力/黏性力黏性力黏性力黏性力V=0.99VV=0.99V 外边界外边界外边界外边界 称称称称附面层名义厚度附面层名义厚度附面层名义厚度附面层名义厚度第5页/共12页6 附面层的流态附面层的流态附面层的流态附面层的流态黏性黏性黏性黏性匀速来流匀速来流匀速来流匀速来流流经壁面流经壁面流经壁面流经壁面扰动扰动扰动扰动如如如如主流湍动度、主流湍动度、主流湍动度、主流湍动度、物面粗糙度、噪音等物面粗糙度、噪音等物面粗糙度、噪音等物面粗糙度、噪音等转捩转捩转捩转捩切应力不能消耗扰动动能切应力不

12、能消耗扰动动能切应力不能消耗扰动动能切应力不能消耗扰动动能粘性稳定作用粘性稳定作用粘性稳定作用粘性稳定作用 扰动不易衰减扰动不易衰减扰动不易衰减扰动不易衰减 层流层流层流层流附面层附面层附面层附面层湍流附面层湍流附面层湍流附面层湍流附面层层流底层层流底层层流底层层流底层速度低速度低速度低速度低壁面限制壁面限制壁面限制壁面限制主流区主流区主流区主流区速度梯度极小速度梯度极小速度梯度极小速度梯度极小无旋势流、忽略粘性力无旋势流、忽略粘性力无旋势流、忽略粘性力无旋势流、忽略粘性力过渡区过渡区过渡区过渡区湍流核心区湍流核心区湍流核心区湍流核心区 远离壁面远离壁面远离壁面远离壁面流体质点脉动流体质点脉动

13、流体质点脉动流体质点脉动强随机旋涡运动强随机旋涡运动强随机旋涡运动强随机旋涡运动雷诺应力逐渐占主导雷诺应力逐渐占主导雷诺应力逐渐占主导雷诺应力逐渐占主导 速度梯度变弱速度梯度变弱速度梯度变弱速度梯度变弱、分布较层流饱满分布较层流饱满分布较层流饱满分布较层流饱满、抗分离能力强抗分离能力强抗分离能力强抗分离能力强 过渡区雷诺应力、粘性力皆不可忽略过渡区雷诺应力、粘性力皆不可忽略过渡区雷诺应力、粘性力皆不可忽略过渡区雷诺应力、粘性力皆不可忽略速度梯度大的强有旋流动速度梯度大的强有旋流动速度梯度大的强有旋流动速度梯度大的强有旋流动、粘性力占主导地位粘性力占主导地位粘性力占主导地位粘性力占主导地位、抗分

14、离能力弱抗分离能力弱抗分离能力弱抗分离能力弱抑制湍流脉动抑制湍流脉动抑制湍流脉动抑制湍流脉动忽略雷诺应力忽略雷诺应力忽略雷诺应力忽略雷诺应力ReRe数数数数脉动脉动脉动脉动厚度厚度厚度厚度 湍流附面层内速度分布较层流附面层饱满湍流附面层内速度分布较层流附面层饱满湍流附面层内速度分布较层流附面层饱满湍流附面层内速度分布较层流附面层饱满如如如如主流速度、主流速度、主流速度、主流速度、压力梯度、物体长度等压力梯度、物体长度等压力梯度、物体长度等压力梯度、物体长度等第6页/共12页7普朗特附面层微分方程普朗特附面层微分方程普朗特附面层微分方程普朗特附面层微分方程二维定常不可压雷诺方程二维定常不可压雷诺

15、方程二维定常不可压雷诺方程二维定常不可压雷诺方程选取特征选取特征选取特征选取特征量量量量第7页/共12页8量级分析量级分析量级分析量级分析附面层内附面层内附面层内附面层内第8页/共12页9 二维定常不可压湍流附面层方程二维定常不可压湍流附面层方程二维定常不可压湍流附面层方程二维定常不可压湍流附面层方程附面层内附面层内附面层内附面层内 沿物面沿物面沿物面沿物面y y向向向向p=constp=const y y向任意点压强向任意点压强向任意点压强向任意点压强=外边缘处势流区压强外边缘处势流区压强外边缘处势流区压强外边缘处势流区压强 压强沿压强沿压强沿压强沿x x向分布向分布向分布向分布=外边界势流

16、区压强分布外边界势流区压强分布外边界势流区压强分布外边界势流区压强分布层流普朗特方程层流普朗特方程层流普朗特方程层流普朗特方程势流区势流区势流区势流区无黏无黏无黏无黏定常不可压定常不可压定常不可压定常不可压流动沿流线流动沿流线流动沿流线流动沿流线伯努利方程伯努利方程伯努利方程伯努利方程取如图控制体且取如图控制体且取如图控制体且取如图控制体且无黏无黏无黏无黏定常不可压缩定常不可压缩定常不可压缩定常不可压缩流动假设流动假设流动假设流动假设顺压梯度区顺压梯度区顺压梯度区顺压梯度区逆压梯度区逆压梯度区逆压梯度区逆压梯度区第9页/共12页10附面层分离附面层分离附面层分离附面层分离附面层从某个位置开始脱

17、离物面附面层从某个位置开始脱离物面附面层从某个位置开始脱离物面附面层从某个位置开始脱离物面物面附近出现回流现象物面附近出现回流现象物面附近出现回流现象物面附近出现回流现象 顺压力梯度及零压力梯度情况顺压力梯度及零压力梯度情况顺压力梯度及零压力梯度情况顺压力梯度及零压力梯度情况广义伯努利方程广义伯努利方程广义伯努利方程广义伯努利方程势流区势流区势流区势流区附面层内附面层内附面层内附面层内 T*T*0K0Kp*p*0 0 T T 0K0Kpp0 0即降至某数值其后必然即降至某数值其后必然即降至某数值其后必然即降至某数值其后必然p=constp=const 压力能压力能压力能压力能动能动能动能动能V

18、 V +黏性阻力消耗黏性阻力消耗黏性阻力消耗黏性阻力消耗 压力能降至压力能降至压力能降至压力能降至p=constp=const动能动能动能动能V V黏性阻力消耗黏性阻力消耗黏性阻力消耗黏性阻力消耗V=0V=0 =0=0附面层内也维持与势流区一样的恒压流动附面层内也维持与势流区一样的恒压流动附面层内也维持与势流区一样的恒压流动附面层内也维持与势流区一样的恒压流动不可能出现不可能出现不可能出现不可能出现V0V 势流区情况势流区情况势流区情况势流区情况势流区势流区势流区势流区p p 附面层内附面层内附面层内附面层内p pmaxmax势流区较高反压作用势流区较高反压作用势流区较高反压作用势流区较高反压

19、作用附面层内流体逆向流动附面层内流体逆向流动附面层内流体逆向流动附面层内流体逆向流动分离分离分离分离倒流倒流倒流倒流上游附面层与物面上游附面层与物面上游附面层与物面上游附面层与物面紧贴物面流体质点速度为零紧贴物面流体质点速度为零紧贴物面流体质点速度为零紧贴物面流体质点速度为零稍远离物面质点速度也为零稍远离物面质点速度也为零稍远离物面质点速度也为零稍远离物面质点速度也为零分离点分离点分离点分离点第10页/共12页11附面层分离附面层分离附面层分离附面层分离与流态有关与流态有关与流态有关与流态有关速度分布平坦饱满速度分布平坦饱满速度分布平坦饱满速度分布平坦饱满物面附近质点动能较大物面附近质点动能较

20、大物面附近质点动能较大物面附近质点动能较大分离点后出现强旋涡分离点后出现强旋涡分离点后出现强旋涡分离点后出现强旋涡不断出现不断出现不断出现不断出现被主流卷走被主流卷走被主流卷走被主流卷走尾涡区尾涡区尾涡区尾涡区压力不能恢复压力不能恢复压力不能恢复压力不能恢复黏性流体在逆压力梯度下运动时产生黏性流体在逆压力梯度下运动时产生黏性流体在逆压力梯度下运动时产生黏性流体在逆压力梯度下运动时产生 绕流物体的阻力绕流物体的阻力绕流物体的阻力绕流物体的阻力压差阻力压差阻力压差阻力压差阻力摩擦力摩擦力摩擦力摩擦力 旋涡发生器：诱导涡将高速流体微团输运至附面层内旋涡发生器：诱导涡将高速流体微团输运至附面层内旋涡发

21、生器：诱导涡将高速流体微团输运至附面层内旋涡发生器：诱导涡将高速流体微团输运至附面层内 扰流片：扰流片：扰流片：扰流片：层流层流层流层流湍流，推迟分离湍流，推迟分离湍流，推迟分离湍流，推迟分离 吸除附面层内低能流体吸除附面层内低能流体吸除附面层内低能流体吸除附面层内低能流体 吹入高能流体吹入高能流体吹入高能流体吹入高能流体提高提高提高提高附面层内流体能量附面层内流体能量附面层内流体能量附面层内流体能量 小逆压梯度设计流型设计小逆压梯度设计流型设计小逆压梯度设计流型设计小逆压梯度设计流型设计湍流附面层湍流附面层湍流附面层湍流附面层可承受大逆压梯度可承受大逆压梯度可承受大逆压梯度可承受大逆压梯度抗分离能力强抗分离能力强抗分离能力强抗分离能力强强旋涡消耗能量强旋涡消耗能量强旋涡消耗能量强旋涡消耗能量压差阻力压差阻力压差阻力压差阻力失速失速失速失速压差阻力压差阻力压差阻力压差阻力 附附附附面层分离控制面层分离控制面层分离控制面层分离控制第11页/共12页12感谢您的观看！第12页/共12页