第六章--实际流体的绕流运动.docx

第六章实际流体的绕流运动ChapterSixCirc1.ingMotionofTheActua1.F1.uid本章讨论的是考虑黏性作用的流体流动,只涉及不可压缩实际流体。第二节边界层的根本概念TheConceptionofBoundary1.ayer流体作用于物体上的力可分解为两个分珏：一个是垂直于来流方向的作用力，称为升力:一个是平行于来流方向的作用力，称为阻力。一、边界层的IK念(TheConceptionofBoundary1.ayer)但国科学家普明特在乂年通过实验指出，在大富诸数情况下，黏性的影响仅限于被绕流物体外表的贴壁薄层之内，在薄层之外的所谓外部流动中，黏性可以被忽略，并称这一薄层为边界层. 在边界层和尾涡区内,黏性力作用显著,黏性力和惯性力仃相同的数量级，属于黏性流体的有旋流动区： 在边界层和尾涡区外，流体的运动速度几乎相同，速度梯度很小，边界层外部的流动不受固体壁面的影响，即使黏度较大的流体，黏性力也很小，主要是惯性力。所以可将这个区域看作是理想流体势流区， 普朗特边界层理论开辟了用理想流体理论和黏性流体理论联合研究的-条新途径。 实际上边界U内、外区域并没有明显的分界面，一般将壁面流速为零与流速到达来流速度的99%处之间的距离定义为边界所厚度。 边界层序度沿着流体流动方向逐渐增厚，这是由于边界层中流体质点受到摩擦阻力的作用，沿着流体流动方向速度逐渐减小，因此只有离壁面逐渐远些，也就是边界展厚度逐渐大些才能到达来流速度。普朗特边界层内流体流动的特征为：1 .与绕流物体长度相比,边界层厚度很小：2 .前缘处厚度为零，沿流动方向逐渐增厚：3 .边界层内部的速度，在物面处为零，沿物面法线方向速度变化是,由急剧增大过渡到缓慢增大，愈近壁面，速度梯度愈大，旋涡强度亦愈大：4 .边界层内舔性摩擦力与惯性力是同一数鬓级：5 .边界层内压强。因边界层很薄，可以认为物体壁面法线方向上各点压强不变，且等于其外界处压强值.因此，边界房内压强仪只是沿壁面坐标的函数.6 .边界层内流态有层流、紊流两种，其临界雷诺数可近似取为5X1()63×10f,o二、管流边界层(BOUndary1.ayerOftubestream)程。a*A*na图&4是圆管入口段的定常流动情况，由图中可清楚看到管流的开展过网管内流动完全是层流流态时，入口段长度1.'较大，由实验可知I=O.05&/&当加大流速，使边界乂在101管入口某处变为素流时，由于紊流边界层厚度增加快，那么人口段长度比层流流态时短，约为V=2O5O三、自由边界层(FreeBoundary1.ayer)M从喷管向充满同种或不同种流体的空间喷出的射流，是边界层流动的另种实例。第四节边界层别离现象Boundary1.ayerSeparation物体外表绕流中，物体外表上的边界后可能从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,我们称这种现象为边界层别高现象，如图6-9所示。一、边界层别离的原因(TheReasonofBoundary1.ayerSeparation)以圆柱体绕流为例定性说明边界层别离的原因. 当IJi性流体烧IW柱体流动时,在双柱体前蛀点A处，流速为写,该处尚未形成边界以，即边界层期收为零. 防着流体沿W柱体外衣上F两侧的1.边界层以度逑渐增大.笈外的流体可近1«地作为理想流体,理忸流体跷流苗柱体时，在圆柱体潴半部速度逐渐增加.压鞋逐渐减小，是加速流.当流到IuI柱体最四点.B时速度奴大，压强以小。到孤柱体的后半部速度逐渐at小，压强逐漱地加.形成H速iff.由于边界层内各蕊面上的仄强近似地等于网截面上边界层外边界上的液体压强.所以.在电!柱体曲半部边界层内的流动是降JK扣速,而在眼柱体后半部边界层内的流动足升H减速. Ia此.在边界层内的滋体质点除了受到旗撩阻力的作用外.还受到流动方向上压强差的作用.在BI1.柱体讲半部边界层内的海体旗点殳到懂擦累滞逐渐N速.不断消托动徙.但出口I；娱沿充动向逐渐降饭.使流体质点制到冏部增速,也“是说沌体的局涿压强能转变为动施,从而抵消一局却因摩擦胤而作用而消耗的功能，以待持流体在边界层内继坟向航淹动. 但当流体烧过BII柱体域高点B泡到后半部时,东强埴加.速r$收小，更促使边界M内能体收点的M速.从血使动能带把更大.为到达S点时,近壁处流体疾点的动使已做消把完屋，流体刖点不能四维线向前运动.于是一局部施体质点在S点伶潴卜索,过Sri以后.JK强堆段城加.在压强基的作用下，除了量上的流体质总速慢仍等于窄外,近壁处的流体质京开蛤例退. 接烟而来的流体原点在近球处都同样被迨停滞和倒退，以致携来越多被R1.滞的流体在短时间内在IjI1.柱体外衣和主流之间堆枳起来,使边界层剧烈埴边界层内流体随点的<i迅速力,收.而边界层外的主流缰续向的诫动,这样在这个b域内以ST收为界,如图5。所小.在ST我内是例流，在ST找外是向前的主流，两若流动方向相反，从而形成货涡.使流体不再贴WiW柱体外表该动，而从外我别肉出东，造成边界以别典.S点称为别国点，形成的旋涡,不断地被主业带走.在禹柱体府面产生个见洪区.尾洞区内的旋*不普地帚9Hr用的机俺，便该区中的压M1.H(,小于柱体和是*区外面的压.从在柱体后产生了压*1.彩成了压差阻力.庆It阻力的大小与物体的树Hr根大关JK,所以又熏为用状.边界层别离在工程中是-一种常见的现象。例如，轴流式泵、风机或汽轮机叶片，一旦发生边界U别离，阻力显著增大，升力显著减小，即出现失速现象，以致引起旋转脱流、振动，使性能恶化，甚至造成机械破坏。假设飞机机翼上出现失速现象，将会带来更大的危险。边界层别离的特征：1.边界U别离不会出现在加速降压区，只可能出现在减速增压区：2.边界层发生别离是逆向压力梯度与斗密二物体外表黏性阻滞作用的综合结果，这Mbm二者是产生别离的必要条件，光有黏性«三'容爸阻滞作用，没有逆向压力梯度,不会发,生别离，因为流体不会倒流：光有逆向3北F压力梯度，没有黏性阴滞作用，也不会BM&发生别离，因为流体不会停止下来。3 .有了黏性阻滞作用和逆向压力梯度，也不一定发生别离，还要看逆向压力梯度的大小。例如流体绕过象圈柱体这样的钝头物体后压力急剧升高，边界层很容易发生别离。4 .乂流边界乂比素流边界层更容易发生别离。这是因为壁面附近丛流中质点的能量很快由丁摩擦而消耗掠，而素流中质点动毡交换的持续不断把动IS维持前进而推迟别离。二、锐缘效应(SharPedgeefreCt)由主流区传递到壁面附近，使流体质点有能力承受更高的逆向压力梯度继续流体绕过任何物体的尖缘时，总要出现别离现象,如图出12（八）所示。以图6-12(b)所示为例说明产生这种现象的原因。三、烧Ba柱流动及卡门漏街b<2×rju>s×>rU)EauW别离现象的出现及尾涡区的流图取决于雷诺数Re<1时，几乎看不到别离现象。前着数的增大，产生涡流的情况如(b.c、d)Rj<21.()'时，边界层出现层流状态下的别离Rez>5K)S时，边界U内的流动在别离现象出现之前已处丁素流状态，由于素流流动动能较大，因而别离点后移。当RC“=90700的流动中，背流面旋涡不断的交替生成及脱离开柱体外表，并在尾涡区形成交替排列、旋转方向相反的有规那么的两行旋涡，称这为卡门涡街.n*isK1.力随着卡门涡街现象中旋涡交替脱落,必然产生作用于柱体上的交变横向力，产生横向振动，并伴随声响。当其频率与旋涡脱落频率相同，便产生共振，甚至破坏。例如，风吹电线嘘嘘发响（这种呜响是由于卡门涡街的交替脱落引起空气中压强脉动所造成的声波）：锅炉管式空气预热器中，当气流横向绕管束时，由于出现卡门涡街，引起管箱中空气的振动，当卡门涡街脱落形成的声波频率与送风机到空预间的管道腔体内气体的固有振动频率相同时，发生共振使管壁变形，纵向裂纹等.第五节绕流阻力及升力TheResistanceDragRoundABodyand1.ift实际物体绕流物体时，物体总受到压力及摩擦切应力J的作用。合力在绕流物体的未受扰动的来流速度方向上的分量，称为阻力：而与来流方向垂直的分量，称为升力.二升力产生的原因:三e-t升力产生源网><i*t!3.e>w*4，流体绕叶型流动时.，在叶型上产生个与流动速度方向互相垂直的里，就是升力.当流体绕野性流动时，由丁叶里本身不对称，在叶型的上面过流断面减小，流速增加，有能量方程可知，压力必然降低。而在叶型的卜面，过流断面增大，流速降低，压力必然升高。在叶型的上卜压力不相等，产生一由下向上的作用力升力。虽然叶型对称，但对称轴与来流方向不平行，也会产生何样的结果。轴流式泵与风机就是利用升力对流体作功；增加其能量的.轴流式泵与风机具有机翼形的叶片，其裁面是不对称叶型，将叶片在等半径处展开就成为等更青叶M加图6-14所示.在原动机的驱使下，高速旋转的叶片在流体中运动，流体与叶片之间产生相互的作用力，即升力.运行中，轴流式泵与风机的机翼形叶片可以被调节转动，改变叶片的安装角度，即改变冲角以适应外界流量和压力的变化需要。轴流式泵与风机的流体沿轴向流入，又沿轴向诋出，不整望有沿半径方向的径向流动.绕流阻力是由于流体绕流物体所引起的切向应力和物体前后的压力差造成的.因此绕流阻力可分为摩擦阻力和JK差阻力。一、绕流阻力的一般分析1 .摩擦网力摩擦阻力是黏性直接作用的结果。主要依据边界层理论计算。其大小与来流速度、流体黏度、边界值状态和流体与物体接触面积等因素有关.2 .压差阻力压差阻力是流体绕流物体时边界层别离带来的后果。比方流体绕圆柱体流动，在乐力升高区,边界层在压力还没有恢宏到原来分流点压力值之前就与圆柱体别离J',实验证明，圆柱后旋涡区的压力与别离点压力大体相同，因此，圆柱后压力低于其前驻点附近的压力，在圆柱前后产生了压力差，是网柱体运动受到了阻碍，即产生了压差阻力。别离越早，圆柱后压力越低，圆柱后与低压接触面积越大，那么乐差阻力越大。*机翼、细长船体等细长物体，纵向绕流几乎不发生别离，以摩擦阻力为主，可用纵向绕流平板情况的结论粗略估算。*球、桥墩和汽车等钝体，有别离现象存在，压差阻力占绝大局部。其大小与物体形状和来流方向有关。阻力系数定义为O=G1.e浮B8力分饯i-B4tt>2-三<WXft<A-4fx1.>.)-aancRr-：.Mx)o»>A为物体的投影面积：主要受压差阻力的物体，采用物体在垂直了来流速度方向的投影面积：主要受摩擦阻力的物体，如弱型，采用物体在平行于来流方向的投影面积。以无限长圆柱体的绕潦实验结果为例，说明在不同雷诺数条件下，流动现象的特点及其与阻力系数的关系。图6-14给出了沿圆柱外表的:条无因次分布的线.Re4<1也国内,无边界层，为层流流动，阻力为摩擦阻力，Co=-J-Re3<Re<20色用内,留住反面形成对称柱涡双力有除擦及压整阻力加成，f1.RXRSt1.i.20<Rc.<90范岷内.同RC肃大.反而疾涡XiS渐如大.对涡出现挑动.此若见力所占比例增大.90<Rc4,<21.OS范惘内,反面旋涵交替脱落.形成k门洌列.边界U内温金为1.Mk«iRe靖大.别阳点向前移到迎流胤.称亚他界状态.压里用力/i绝大同蔺.R压力分布见图&14中的加战.RCd>21.OS蒐惘内,随Re增）、.在边界层别离点边界M内泊而志已经受为东Jftiit志.致便期高点后移至励柱体反M,用洋区变整,物体外力见图aw中的实线.医基Ia力松,称为招临界态.由图6J7可知,"iRe=21.'-5x10'时，G,值从1.2恁珞到03.这时，虽然摩接阻力同边界层的奈濡充态而珞行用加.但IH力中占绝大忖前的应与川力的N少即使总阻力下降.用力系数C期么明必我少.边界层控制，假设要减少绕流阻力，主要应设法防止或推迟边界层别离。I.不发生别离的情况下边界层应尽可能保持层流流态，以减少摩擦阻力。例如物体外形设计时，逆压区曲率减少（俗称流线型）或加此型整流罩。管内流动时，减少渐扩管道的张角,弯管的弯曲半径，或在大弯管内安装导流片等.2.别离很难防止时在别离点前设法将边界层流态转变为素流流态，以延缓别离。由于产生别离的原因是沿流向的压强增大及动能缺乏，因此在压强增大处采用减压或使流动加速的措施均可消除边界所别离而降低阻力.常见方法有在物面上开槽或孔，并施以吸力使边界层章贴到物体外表上。二、悬浮速度在潦体中运动者的固体或其他颗粒，所受到的作用力除了场力以外，还用6-21册序小球受力分析受到流体的作用力，即浮力及阻力。* 为了研究气力输送工程中的固体颗粒，何时被气体带走：* 除尘设备中，尘粒何时沉降及悬浮：* 燃烧技术中，是层燃形式、沸腾热烧形式还是悬浮燃烧形式；* 汽包中蒸汽带水等问题。绕流阻力O=C°Jr'A=就:28浮力b=Pg6揖力当D+B>G时，小球将随气流上升：D+B<G时，小球将沉降；D+B=G时，小球处于悬浮状态，即气流相对于小球为定常绕流。当&V1时，CX=总,带入（6-9）式，可得V.=0.545dimP）当&>1时，用公式（6-9）来计算，C,由图6-15给出.62小铲公式说明，固体巍体雌的筋、密度就，腌悬胆度也愈大，聃送就和收大螭颗粒时，需魏大的速度，版雕篁也乳“2在煤粉加原中，若上升气流的速度Vt=O5ms,烟气的运动粘性系数利=223X1.OTm%,试计算在这并流速下，烟气中的d=90X1.('m的煤粉颗粒是否会沉降，烟气密度P=02kgm建构的密度/)=1.1.×10,kgm,.解流动的雷诺效KT=嗡K=O202<1.应用公式(6-10)可得悬浮速度为：,=0.545X(PItP)=O-545X9.,J.t.(90X10,),(1.1×IO1-0.2)4JJAIvAv4=0.104(ms)由于气流速度办=0.5ms>悬浮速度%=0.104m/s,所以,煤柳H粒不会沉降，而是H气演滑动.三、鼻型绕流升力与起动涡在制作飞机模型时，只要将机翼断面形状仔细修制成上下不对称的驾曲形状，如图6-22所示，那么可能有升力出现，且可以顺利飞行。大型飞机也要靠气流绕过机翼产生升力而升空；过热蒸汽流过汽轮机动叶轮叶片时，叶片上的升力的个分量可以产生使叶轮绕着其轴旋转的力矩。'W7阳G26AJ1.氏M分充的现由于涡系的存在，使翼型上外表附近的流动速度加快,相应地压力下降，下外表附近流动速度下降，相应地压力增大,因此在垂直于来流的方向上出现r向上的合压力,即升力图&26给出了某一翼型上卜外表的压强分布曲线。对实际使用的强型，其升力系数a值主要由实验确定。实验说明，在。值不大时，与。之间呈线形关系：当。增到达某值。，之后，由于翼型上外表别离泮重，上下外表压力差大大降低，升力大大减少，称失速现象“(C)图6-28边界层分寓与冲角的关系第七节素流射流射流：流体自管嘴或条缝中向流体空间喷射所形成的流动。素流射流：当射流出口速度较大，射流呈素流状态的流动。一、自由淹没射流的特征对图中转折截面、初始段、根本段以及极点、射流扩散角等根本概念加以说明讲解.紊流系数与射流敌面的紊流速度有关，素流强度越大，说明射流具有较大的与周围介质混合的能力，。值也越大，从而使射流扩散角大，被带动的周围介质越多.射流速度沿轴向下降越快。三、平面射流二、园餐面射流M1.”费力”平面射流是指由长度为无限大而宽R一一转折面上的射流半径流体射Ro喷嘴半径M1.Tf1.WK度为有限尺寸的喷喷中喷射出的流.这种射流只能在垂直了喷嘴长度方向上扩散，故称为平面射流。另外，喷嘴装置形式不同，出口断面上的射流的紊流强度不同，因而索流系数。值也不同。四、应用锅炉的燃烧器设计.燃烧器是按自由淹没射流原理设计的.直流式燃烧借是按圆形或近158形或平面素流射流规律来考虑其选型；喷嘴截面越扁平，其中心速度衰减越慢，故其射流可以穿透环境介旗，到达炉腺的火焰深处，而增强火焰内部的扰动，使燃烧深入炉膛中心局部“反之喷嘴截而越近丁正方形（近原形射流），射流衰减快，穿透能力差，但引射能力强，抽引周围气体，增强气流间互相掺混，使燃烧充分。