边界层分离综述

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1、边界层分离综述西安交通大学化工31班陈光2131502008摘要：当流体流过物体时，由于流体本身黏性作用，会在物体表面形成边界层。而在某些情况下，如物体表面曲率较大时，常常会出现边界层在某个位置开始脱离物面，并在物面附近出现与主流方向相反的回流，流体力学中称这种现象为边界层分离现象。本文就边界层分离机理、边界层分离发生条件、边界层分离的控制及边界层分离应用等方面对其作出系统介绍。关键词：边界层分离；发生机理；控制；卡门涡街引言当流体流经曲面物体或化工流体输送过程中流体流经管件、阀门、管路突然扩大或

2、突然缩小以及管路的进出口等局部地方，都会出现边界层的分离现象。边界层分离理论在化工流体输送和流体力学的研究应用方面具有重要的意义。1.边界层分离发生的机理1)边界层分离概述边界层是一个薄层，它紧靠物面，沿壁面法线方向存在着很大的速度梯度和旋度的流动区域。粘性应力对边界层的流体来说是阻力，所以随着流体沿物面向后流动，边界层内流体流速会减小，压力增加。由于流体流动的连续性，边界层会变厚，以在同一时间内流过更多的低速流体。因此边界层内存在着逆压梯度，流动在逆压梯度作用下，会进一步减速，最后整个边界层内的

3、流体的动能都不足以长久的维持流动一直向下游进行，以致在物体表面某处其速度会与势流的速度方向相反，即产生逆流。该逆流会把边界层向势流中排挤，造成边界层突然变厚或分离。边界层分离之后，它将从紧靠物面的地方抬起进入主流，与主流发生参混，结果是整个参混区域的压力趋于一致。2)模型分析现以黏性流体绕过一无限长圆柱体的流动为例，从边界层的形成和变化过程来说明曲面边界层的分离现象。如图a所示：图a黏性流体流过圆柱体表面情况当流体到达A点（驻点）时，流速为零，流体的压力p最大。由于流体是不可压缩的，后继流体质点在

4、A点处，流体高压力作用下，只好将部分压力作用转化为动能，沿圆柱体继续向下游流动。又由于流体黏性作用，沿柱体表面的法线上将建立起速度边界层，且沿流动方向逐渐加厚。在AB段，外流区域中的势流流动都处于加速减压的状态。由于边界层内各截面上压强近似等于同一截面上边界层外边界上的流体压强，可知边界层内部流体也处于加速减压状态。所减少的压力能，部分用于克服由于黏性流动所产生的摩擦阻力，另外一部分转化为动能，形成加速流。在AB段，压力梯度dpdx<0，称为顺压区。当流体到达圆柱体最高点B时，速度达

5、到最大，压力最小。B点之后，外部势流及边界层内的流动均处于减速加压的状态下，压力递增，流速递减，dpdx>0，称为逆压区。由于压力与黏性阻力的共同作用，流体