當前位置：邊界層基本概念【高壓柱塞泵】
黏性流體在固體表面附近流動時會形成一個非常薄的流層。在這個流層范圍內,流速由零變化到理想流體繞流該表面時可能產生的數值,這個流層稱作邊界層。它是流動區域的一部分,其內黏性作用顯著。
在邊界層外的整個流動區域稱為外部流動。在外部流動區域,黏性的影響很小,可以忽略,而流動則可認為是無旋流動。由許多試驗和理論研究所確立的這個情況是非常重要的,在對這兩個區域的運動進行描述時,只需考慮該區所固有的運動的主要特點。
在內流情況下(流體在管道、河道內的流動),邊界層在起始段形成。此段可用速度剖面圖來標出,如圖2-3所示。
在液流從噴管或孔口內向同樣密度和黏度的無界介質流出時,還會遇到另一種邊界層,如圖2-4所示。由圖可以看出,在起始段Lf段內,核心部分保持著噴管出口產生的速度。由于黏性力的作用,射流所占據的區域越來越大,而在其軸線附近形成射流邊界層所特有的不均勻速度分布。若人為地規定距射流軸心某一段距離(如該處速度接近于零或為軸線上速度的1%)為射流邊界,則射流邊界層的范圍就可確定。
邊界層和外部流動這兩個區域在流動分析及計算中雖是分別考慮的,但它們并不是孤立的,只要給定一些條件就可以求出其間的邊界。在某些問題中,必須考慮到邊界層對外部流動的反作用,而外部流動邊界上的參數是會影響邊界層計算關系式的。通常用邊界層沿物體表面法線方向的距離即邊界層的厚度δ來表征邊界層的區域。邊界層內的速度接近外部流動的速度具有漸近性質,嚴格地說來,邊界層的有限厚度或邊界層與外部流動區域的邊界是不存在的。為了唯一地定義邊界層厚度,通常人為地約定與來流速度相差1%(或0.5%等)的地方就是外部邊界。很顯然,邊界層厚度取決于對邊界層流與外流在共同邊界上速度相等所規定的精確度。
在邊界層內,由于流體的黏性作用不可忽略,速度梯度很大,伯努利方程已不適用。描寫邊界層內黏性流體運動的是納維-斯托克斯方程。由于邊界層厚度δ比特征長度小得多,而且x方向速度分量沿法向的變化比切向大得多,所以納維-斯托克斯方程在邊界層內可以得到很大的簡化,從而可求出近似解。
在邊界層內,流動可能是層流,也可能是湍流。當雷諾數較小時,邊界層內的流動狀態是層流。隨著雷諾數的增大,物體前緣部分的邊界層(δ較小)仍保持為層流,而后面部分則會轉變為湍流,形成混合型邊界層(見圖2-5)。隨著雷諾數繼續增大,層流轉變為湍流的點逐漸向前推移,湍流邊界層逐漸擴大而最后全部轉變為湍流。湍流邊界層的結構要比層流邊界層的結構復雜得多,其厚度也比層流邊界層厚得多。關于近壁湍流邊界層的運動結構,可以近似描述如下:在緊靠壁面的附近存在著一個黏性底層,其中的流動由于有一些旋渦雖不是純層流,但速度分布卻相當近似地服從于線性定律,因而也有把這一黏性底層稱為層流次層或層流子層的。在這個底層與湍流部分之間不存在明顯的界限。其向湍流區速度對數分布的過渡是平緩的。過渡中還有層流失去穩定性,發生湍流擾動的區域。再往上即是速度對數分布區,它和黏性底層及過渡區一起形成近壁區。脈動能量的主要部分就發生在這一約占邊界層厚度20%的區域內。在近壁區與邊界層外界之間有一個“外區”,它的特點是產生湍流脈動的程度不大,其中的速度分布同對數定律稍有差別。在“外區”與外部無旋流動之間還有一個區域,稱作頂層,它的特點是具有不穩定性和摻混現象。摻混現象是由低湍流物質從外部流動中周期性地滲入頂層和周期性地恢復邊界層固有的湍流程度所引起的。
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