船舶流體力學(xué)大三上課件2014c-mhy

1、ShanghaiJiaoTong當(dāng)不ShanghaiJiaoTong當(dāng)不可壓縮粘性流體流過(guò)平板時(shí)，在邊界層外界上沿平板方向的速度是相同的，而且整個(gè)流場(chǎng)和邊界層內(nèi)的壓強(qiáng)都保持不變。當(dāng)粘性流體流經(jīng)曲面物體時(shí)，邊界層外邊界上曲面方向的速度是改變的，所以曲面邊界層內(nèi)的壓也將同樣發(fā)生變化，對(duì)邊界層內(nèi)發(fā)生曲面邊界層的分離現(xiàn)象將產(chǎn)生影響ShanghaiJiaoTong在實(shí)際工ShanghaiJiaoTong在實(shí)際工程中，物體的邊界往往是曲面（線型或非流線型物體）。當(dāng)流體繞流非流線型物體時(shí)，一般會(huì)出現(xiàn)下列現(xiàn)象：物面上的邊界層在某個(gè)位置開始脫離物面并在物面附近出現(xiàn)與流方向相反的回流，流體力學(xué)中稱這種現(xiàn)象為界層分

2、離現(xiàn)象。流線型物體發(fā)生邊界層分離情況下也ShanghaiJiaoTongShanghaiJiaoTongShanghaiJiaoTong分離原因ShanghaiJiaoTong分離原因是什么發(fā)分分離的判據(jù)是什么特性是什么ShanghaiJiaoTong以不可壓縮流體繞流圓柱體為在圓柱體ShanghaiJiaoTong以不可壓縮流體繞流圓柱體為在圓柱體前駐點(diǎn)D處，流在DE段，流體加速減壓方向形成順壓梯度，在沿點(diǎn)流速達(dá)到最大；過(guò)E點(diǎn)后，d 體增壓，方向形成0d d d 壓梯度0ShanghaiJiaoTong當(dāng)流體繞過(guò)ShanghaiJiaoTong當(dāng)流體繞過(guò)圓柱體最高點(diǎn)E流到后半部時(shí)，壓強(qiáng)增加，

3、度減小，更促使邊界層內(nèi)流體質(zhì)點(diǎn)大，從而使動(dòng)能消耗當(dāng)達(dá)到S點(diǎn)時(shí)，近壁處流體質(zhì)點(diǎn)的動(dòng)能已被消耗完盡，體質(zhì)點(diǎn)不能再繼續(xù)向前運(yùn)動(dòng)，于是一部分流體質(zhì)點(diǎn)在S點(diǎn)停滯下來(lái)；過(guò)S點(diǎn)以后，壓強(qiáng)繼續(xù)增加，在壓強(qiáng)差的作用下，除了上的流體質(zhì)點(diǎn)速度仍等于零外，近壁處的流體質(zhì)點(diǎn)開。ShanghaiJiaoTong接踵而來(lái)的流體ShanghaiJiaoTong接踵而來(lái)的流體質(zhì)點(diǎn)在近壁處都同樣被迫停滯，致越來(lái)越多被阻滯的流體在短時(shí)間內(nèi)在圓柱體表面和主流之堆積起來(lái)，使邊界層劇烈增厚，邊界層內(nèi)流體質(zhì)點(diǎn)的倒流迅速擴(kuò)展；而邊界層外的主流繼續(xù)向，這樣在這個(gè)區(qū)域內(nèi)ST線為界，在ST線內(nèi)是倒流，在ST線外是向前的主流，兩方向相反，從而形成旋

4、渦ShanghaiJiaoTong流體不再ShanghaiJiaoTong流體不再貼著圓柱表，而從曲面分出來(lái)，造成邊界層分離S點(diǎn)稱為分離點(diǎn)前和尾渦區(qū)外面的壓強(qiáng)壓差阻力的大小與物體ShanghaiJiaoTong以上的分如下結(jié)論粘性流體在壓力降低ShanghaiJiaoTong以上的分如下結(jié)論粘性流體在壓力降低區(qū)(加)，決不出現(xiàn)邊界層的分離只有在壓力升高區(qū)()，才有可能現(xiàn)分離，形成漩渦尤其是在主足夠大的情況下邊界層的分離就一定會(huì)發(fā)生ShanghaiJiaoShanghaiJiaoTongShanghaiJiaoTongShanghaiJiaoTongShanghaiJiaoTong分離及其產(chǎn)生原

5、邊ShanghaiJiaoTong分離及其產(chǎn)生原邊界相對(duì)平衡的動(dòng)力學(xué)過(guò)程：慣性力、壓力梯度、粘性力13：順壓梯度35：逆壓梯度S：分離S點(diǎn)后：分離（動(dòng)能）（層外主流）（阻滯ShanghaiJiaoTong邊界層分離的條件存ShanghaiJiaoTong邊界層分離的條件存在逆壓梯度區(qū)壁面或粘性的阻滯二。但也必，這兩個(gè)條件僅是產(chǎn)生離的必要條件而非充分條件ShanghaiJiaoTong2. 邊界層分離的判ShanghaiJiaoTong2. 邊界層分離的判別準(zhǔn)Plandtl分離判據(jù)(二維定常邊界xs確定分離點(diǎn)S的位在分離點(diǎn)yShanghaiJiaoTong3.分ShanghaiJiaoTong3

6、.分的特邊界層離體，形成尾流（尾跡）ShanghaiJiaoTong分離點(diǎn)S的位置ShanghaiJiaoTong分離點(diǎn)S的位置 xs 與物體形狀和邊界層流邊界層容易分離狀態(tài)有關(guān)湍流邊界層不易分離，分離點(diǎn)將后移、尾跡變窄分離的結(jié)果產(chǎn)生壓差阻(形狀阻力升力下降、阻力增加噪聲增大出現(xiàn)縱向、橫向渦激振蕩ShanghaiJiaoTongShanghaiJiaoTong卡門渦街(vonKarmanvortex隨著雷諾數(shù)的增大，邊界ShanghaiJiaoTong當(dāng)Re40時(shí)，邊界層對(duì)稱ShanghaiJiaoTong當(dāng)Re90時(shí)，旋渦從柱體后部交替卡門渦街出來(lái)，形成當(dāng)Re150時(shí)，渦，但旋渦的產(chǎn)生仍然是

7、周期性的隨著Re數(shù)繼續(xù)加大，周期性振頻振動(dòng)，變成不規(guī)則的ShanghaiJiaoTong卡門渦街的利用ShanghaiJiaoTong卡門渦街的利用及危利用：測(cè)量流體來(lái)流速度及流量。渦街流量危害：會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)及噪聲，嚴(yán)重時(shí)產(chǎn)及聲振1940州的塔可馬a）吊橋被風(fēng)吹ShanghaiJiaoTong分ShanghaiJiaoTong分離常常給工程上帶來(lái)很大危例如：機(jī)翼表面嚴(yán)重分離，將造成失速螺旋槳槳葉諧鳴、效率降低、空化、振動(dòng)等引起葉輪機(jī)械機(jī)械能損失、劇烈喘振和旋轉(zhuǎn)失速，甚至造成結(jié)構(gòu)破壞。因此，控制邊界層分離對(duì)于增升、減阻和減振等很有實(shí)用價(jià)值ShanghaiJiaoTong改ShanghaiJiaoT

8、ong改變物面形狀延長(zhǎng)層流圓柱體和流線型柱ShanghaiJiaoTong將ShanghaiJiaoTong將物體設(shè)計(jì)成流線使物體后部細(xì)長(zhǎng)，減小反向壓力差，以推遲或避免邊界層分離，達(dá)到減小旋渦阻力的目的。潛艇機(jī)翼、舵、飛機(jī)機(jī)身等都比較接近流線型避免尖點(diǎn)減少分因尖點(diǎn)后出現(xiàn)很強(qiáng)的反向壓力差，使邊界層立即在尖點(diǎn)處分離，應(yīng)盡可能避免。ShanghaiJiaoTongShanghaiJiaoTong加導(dǎo)流在彎道處加導(dǎo)流片可以減小旋渦區(qū)，達(dá)到減小旋渦阻的目的常用于風(fēng)洞和循環(huán)水槽，大斷面彎曲流ShanghaiJiaoTongShanghaiJiaoTong增加邊界層內(nèi)流體的動(dòng)分離點(diǎn)后ShanghaiJiao

9、Tong邊界層大雷諾ShanghaiJiaoTong邊界層大雷諾數(shù)下均勻繞流物體表面的流場(chǎng)可以劃分為三個(gè)域，即外部勢(shì)流、邊界、尾渦粘。邊界層外邊II尾部流區(qū)I邊界邊界層外邊itysreo Tong Univiai 邊界層內(nèi)：層流邊界層，混合itysreo Tong Univiai 邊界層內(nèi)：層流邊界層，混合邊界層，湍流邊界層，層流底層判別邊界層的層流和湍流的準(zhǔn)則數(shù)為雷諾數(shù) 35.(xShanghaiJiaoTong邊界ShanghaiJiaoTong邊界層的厚度將壁面流速為零與流速達(dá)到來(lái)流速度的99處之間的離定義為邊界層厚度 。邊界層厚度沿著流增厚方向逐ShanghaiJiaoTong邊界層的

10、排擠厚uu1dy1U U ShanghaiJiaoTong邊界層的排擠厚uu1dy1U U 邊界層的動(dòng)量厚u 1 u dyu 1 u U U U U ShanghaiJiaoTong邊界層的基本特征ShanghaiJiaoTong邊界層的基本特征與物體的特征長(zhǎng)度相比，邊界層的厚度很小, 邊界層內(nèi)沿厚度方向，存在很大的速度梯度邊界層厚度沿流方向是增加的由于邊界層很薄，可以近似認(rèn)為邊界層中各截面上的壓等于同一截面上邊界層外邊界上的壓力值在邊界層內(nèi)，粘性力與慣性力同一數(shù)量級(jí)邊界層內(nèi)的流態(tài)，也有層流和湍流兩種流態(tài)ShanghaiJiaoTong層流邊界層的微分方程組為2vvx ShanghaiJiaoTong層流邊界層的微分方程組為2vvx xyyp vxvy ShanghaiJiaoTong層流邊界層的微分方程組還可以寫成2ShanghaiJiaoTong層流邊界層的微分方程組還可以寫成2vvxy ShanghaiJiaoTong順流無(wú)限長(zhǎng)平板層流邊界層的控制方程為ShanghaiJiaoTong順流無(wú)限長(zhǎng)平板層流邊界層的控制方程為2vx y ShanghaiJiaoTong邊界層Karman動(dòng)量積分方程 V V ShanghaiJiaoT