工程流体力学-第7章-粘性流体绕物体的流动分析课件.ppt

1、教学内容教学内容第第0 0章章 绪论绪论第1章 流体的主要物理性质第2章 流体静力学第3章 流体流动的基本方程第4章 旋涡理论和势流理论第5章 相似理论与量纲分析第6章 粘性流体管内流动第7章 粘性流体绕物体的流动理想流体绕圆柱的定常流动理想流体绕圆柱的定常流动222221112121vgpzvgpz12达朗贝尔佯谬（悖论）达朗贝尔佯谬（悖论）任取圆柱面上前后对称的两点1和2，由伯努利方程：第7章 粘性流体绕物体的流动 2121,vvzz21pp 任意对称点上压力相等圆柱上阻力为0实际流体绕物体的流动实际流体绕物体的流动粘性如何影响流体的运动？粘性如何影响流体的运动？第7章 粘性流体绕物体的流

2、动7.1 7.1 边界层的概念边界层的概念7.1.1 普朗特边界层理论的要点7.1.2 边界层的形成过程7.1.3 边界层厚度的定义第7章 粘性流体绕物体的流动1.当流体以高Re流过固体壁面时，由于流体的黏性作用，在壁面上流速降为零；2.在壁面附近区域存在一极薄的流体层，其内速度梯度很大；7.1.1 普兰德边界层理论的要点普兰德边界层理论的要点3.在远离壁面的流动区 域，其速度梯度几乎为零，可视其为理想流体的势流。u0u0第7章 粘性流体绕物体的流动 首先，在壁面附近有一薄层流体，速度梯度很大；在薄层之外，速度梯度很小，可视为零。壁面附近速度梯度较大的流体层称为边界层。边界层外，速度梯度接近于

3、零的区称为外流区或主流区。x=0 xyu0u0u0u01.1.平板壁面上的速度边界层 7.1.2 边界层的形成过程边界层的形成过程第7章 粘性流体绕物体的流动2.层流边界层和湍流边界层 在板前缘附近，边界层内流速较低，为层流边界层；而后逐渐过渡为湍流边界层。湍流边界层分为3层:近壁面的薄层流体为层流内层；其次为缓冲层；然后为湍流核心。x=0 xyu0u0u0u0层流边界层过渡区湍流边界层层流内层缓冲层湍流核心第7章 粘性流体绕物体的流动3.临界距离和临界雷诺数：临界距离 xc 由层流边界层开始转变为湍流边界层的距离；平板流动 Re0ccxx u Re=0 xxu Re=565 103 10cx

4、Re x由平板前沿算起的距离，mu0主流区流体流速，m/s。临界 Rexcx=0 xyu0u0u0u0 xc层流边界层过渡区湍流边界层层流内层缓冲层湍流核心第7章 粘性流体绕物体的流动7.1.3 边界层厚度的定义边界层厚度的定义平板边界层厚度 099%xuuy10-3md(x)u(x,y)xyU0oU00.99U0U0L第7章 粘性流体绕物体的流动7.27.2 普朗特边界层方程的推导普朗特边界层方程的推导 22221xxxxxyuuuupuuxyxxy 22221yyyyxyuuuupuuxy yxy 0yxuuxyu0yx0(x)不可压缩流体沿平壁作稳态二维层流流动的变化方程：非线性二阶偏微

5、分方程第7章 粘性流体绕物体的流动大Re数下的边界层流动有两个重要性质：2.边界层内粘性力与惯性力的量级相同。1.边界层厚度 3.0105，边界层转变为湍流边界层转变为湍流，分离点后移至110，尾迹为浑沌状态，涡街不明显。(a)(b)(d)(f)(e)第7章 粘性流体绕物体的流动(c)涡激振动涡激振动第7章 粘性流体绕物体的流动【例】圆柱形烟囱，高H=20m，直径d=0.6m，当风以速度U0=18m/s横向吹过时，求烟囱受到的总推力。设空气的密度=1.21kg/m3，运动黏度 v=15.710-6m2/s。【解】绕圆柱形烟囱流动的雷诺数 50618 0.66.88 1015.7 10U dRe

6、v烟囱受到的总推力，即为绕流阻力D0.35C 220DD1.210.351820 0.6823.3N22UFCA查得绕流阻力系数第7章 粘性流体绕物体的流动【例】气球质量为0.32kg，直径d=1m，以U0=3.7m/s的速度在静止空气中上升，（1）试确定它的阻力系数；（2）若用绳子固定此气球于空中，气流水平速度为3.5m/s，试确定绳子的张力和斜角。设空气的密度=1.25kg/m3，运动黏度v=14.710-6m2/s。0UDFG bFT x z 第7章 粘性流体绕物体的流动【解】（1）当气球在静 止空气中上升时，它受到的三个力大小分别是 重力（方向向下）0.32 9.813.14NGmg浮

7、力（方向向上）3b1.25 9.8116.42N6FV阻力（方向与运动方向相反）DF 当气球作匀速运动时，以上三个力在铅垂方向的投影之和等于零，即 bD0GFFFDGbFx z 第7章 粘性流体绕物体的流动故 D6.423.143.28FN阻力因数DD22203.280.4881.253.71242FCUA此时流动雷诺数5063.7 12.5 1014.7 10U dRev第7章 粘性流体绕物体的流动（2）将气球用绳子固定，气球受到的力大小为 浮力3.14NG b6.42NF（方向向下）（方向向上）重力0UDFG bFT x z 风的推力 2DD02FCU A由于流动的雷诺数 5063.5 1

8、2.38 1014.7 10U dRev此时的雷诺数同(1)相近，CD取0.488。第7章 粘性流体绕物体的流动故 22D1.250.4883.512.9324FN列x方向的投影式 bsin0FGT与水平方向的夹角 4.4NT 2.48解得绳子张力列z方向的投影式 Dcos0FT0sin14.342.60cos93.2TT即 第7章 粘性流体绕物体的流动涡激振动涡激振动v流场模型流场模型v物体运动模型物体运动模型)()()()(tFtKztzCtzm iijjiTijijifxuxuxpxuutu1t(s)A(m)8101214-0.0200.020.040.06CF_1/5LCF_1/2LIL_1/5LIL_1/2L第7章 粘性流体绕物体的流动略略流线流线涡量等值线涡量等值线流场压力分布流场压力分布UfDStS St t Strouhal Strouhal 数，是数，是ReRe数的函数，中高数的函数，中高ReRe数时，圆柱绕流数时，圆柱绕流S St t=0.20.22=0.20.22f 涡脱落频率；涡脱落频率；DD圆柱直径；圆柱直径；UU来流速度来流速度第7章 粘性流体绕物体的流动略略结 束第7章 粘性流体绕物体的流动第7章作业7-1,3,59第7章 粘性流体绕物体的流动