邊界層

邊界層

邊界層是高雷諾數繞流中緊貼物面的粘性力不可忽略的流動薄層,又稱流動邊界層、附面層。這個概念由近代流體力學的奠基人,德國人Ludwig Prandtl于(普朗特)1904年首先提出。從那時起,邊界層研究就成為流體力學中的一個重要課題和領域。

  • 中文名稱
    邊界層
  • 外文名稱
    boundary layer
  • 其他名稱
    流動邊界層、附面層
  • 提出者
    Ludwig Prandtl
  • 提出時間
    1904年
  • 特點
    與物體的相對速度為零

基本介紹

邊界層(boundary layer)是高雷諾數繞流中緊貼物面的粘性力不可忽略的流動薄層,又稱流動邊界層、附面層。這個概念由近代流體力學的奠基人,德國人Ludwig Prandtl于(普朗特)1904年首先提出。從那時起,邊界層研究就成為流體力學中的一個重要課題和領域。在邊界層內,緊貼物面的流體由于分子引力的作用 ,完全粘附于物面上 ,與物體的相對速度為零。

發展歷史

概念

邊界層概念是1904年德國學者L.普朗特在海德堡舉行的第三屆國際數學家大會上提出的。他在《具有很小摩擦的流體流動》一文中指出:“沿固體壁面的流動,可分成兩個區域,在表面附近的薄層部分,流體中的內摩擦即粘性起重要作用;在該層以外的其餘部分,粘性可以忽略。”也就是說,在邊界層以內的流體是粘性流體,可用納維-斯托克斯方程(見運動方程)描述;在邊界層以外的流體,可視為理想流體,用歐拉方程描述。自此以後,在流體力學研究中長期存在的兩條基本途徑,即從經驗角度研究有粘性的實際流體和從理論角度研究無粘性理想流體,得到了統一。普朗特的這篇論文是創立邊界層理論的起點。邊界層理論是研究邊界層中粘性流體運動規律的理論,既適用于處理流體沿固體壁面的流動,也用于研究無壁面的自由湍流(如射流)。它是研究粘性流體流動的動量傳遞、熱量傳遞和質量傳遞的理論基礎。

流速

​當流速u均勻的流體繞固體表面流動時,與壁面直接接觸的流體質點受到阻滯,速度降為零。由于有內摩擦作用,相鄰流體層的速度減慢,這種影響,由壁面逐層達到流體內部,並沿流動方向不斷發展,形成了邊界層。通常將速度ux為99%外流速度(即流速u)的流體層,定為邊界層的外邊界,外邊界至壁面的距離,即為邊界層的厚度δ。

邊界層

受阻原因

邊界層厚度沿流體流動方向不斷增加,但相對于流體經過表面的長度來說,最大的厚度仍是很小的。對于有限長的物體,邊界層厚度約為0.1~10mm。邊界層中的流體速度,在很短距離內從零急劇成長到相當于外流速度的數量級,速度梯度很大。因此,在邊界層內,粘性作用不能忽略,這是流體運動經受阻力的原因。

套用價值

普朗特首創邊界層理論以來,經過他的學生以及其他學者的共同努力,從二維定態層流流動的研究開始,發展成完整的粘性流體力學。該理論的主要內容包括二維、三維層流邊界層,自由剪下湍流(見射流),壁面剪下湍流,可壓縮流體邊界層,分離流等。

邊界層理論套用的突出成就,是闡明了流動阻力的機理,為計算流動阻力以及設法減小流動阻力提供了理論依據。進一步與傳熱、傳質和化學反應的研究結合起來,在流動邊界層概念的基礎上,還提出了溫度邊界層、濃度邊界層和反應邊界層等理論。套用邊界層理論可以計算粘性流體運動時的速度分布,這為闡明傳熱和傳質機理,計算溫度分布、濃度分布、傳熱分系數、傳質分系數及反應速率奠定了基礎;同時也為傳熱、傳質等過程的強化指明了方向。

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