传输原理边界层理论课件.ppt
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1、边界层理论第五章边界层理论本章主要内容本章主要内容1.1.介绍边界层的基本概念及特点;介绍边界层的基本概念及特点;2.2.平面层流边界层微分方程及其求解;平面层流边界层微分方程及其求解;3.3.平面层流边界层积分方程及其求解;平面层流边界层积分方程及其求解;4.4.平板绕流摩擦阻力的计算平板绕流摩擦阻力的计算 边界层理论边界层理论 理论形成的背景:理论形成的背景:实际流体流动方程是非线性偏微分方程,难以求解;人实际流体流动方程是非线性偏微分方程,难以求解;人们注意到大多数实际流体的流动都可以分为两个区域,即们注意到大多数实际流体的流动都可以分为两个区域,即靠近壁面、速度梯度较大的一薄层(边界层
2、)和大部分远靠近壁面、速度梯度较大的一薄层(边界层)和大部分远离壁面、速度梯度较小的区域。对速度梯度较小的区域可离壁面、速度梯度较小的区域。对速度梯度较小的区域可以利用理想流体的欧拉方程和伯努利方程求解;对很薄的以利用理想流体的欧拉方程和伯努利方程求解;对很薄的边界层可以通过简化后再求解。这样就将整个区域求解问边界层可以通过简化后再求解。这样就将整个区域求解问题转化为主流区的理想流体的流动问题和靠近壁面边界层题转化为主流区的理想流体的流动问题和靠近壁面边界层内的流动问题。当然,与此同时就有一个区域的划分问题内的流动问题。当然,与此同时就有一个区域的划分问题或者说有一个边界层厚度的确定问题。或者
3、说有一个边界层厚度的确定问题。边界层理论边界层理论 意义:意义:粘性流体流动理论应用于实际问题,明确了研究粘性流体流动理论应用于实际问题,明确了研究理想流体流动的实际意义,在流体力学的发展中起了非理想流体流动的实际意义,在流体力学的发展中起了非常重要的作用。常重要的作用。第一节 边界层的基本概念一、边界层的定义一、边界层的定义边界层边界层:流体在流经固体壁面时,在固体壁面形成速度:流体在流经固体壁面时,在固体壁面形成速度梯度较大的流体薄层。梯度较大的流体薄层。边界层的厚度边界层的厚度:流速相当于主流区速度的:流速相当于主流区速度的99%99%处,到固体处,到固体壁面的距离称为边界层厚度。壁面的
4、距离称为边界层厚度。二、边界层的形成与特点二、边界层的形成与特点 为什么会形成边界层?因为流体内部存在为什么会形成边界层?因为流体内部存在粘附力粘附力或或粘性粘性力力 。我们已经知道:流体流过管道时,其流动形态是通过雷我们已经知道:流体流过管道时,其流动形态是通过雷诺数来判别的。诺数来判别的。Re=Re=d d/第一节 边界层理论的基本概念当当Re Re Re ReRecrcr 时,流动为湍流。时,流动为湍流。对于流体掠过平板的流动,流动形态仍然可通过雷诺数来对于流体掠过平板的流动,流动形态仍然可通过雷诺数来判别,不过此时的雷诺数用判别,不过此时的雷诺数用 ReRex x=x x0 0/计算。
5、计算。其中:其中:x x 为流体进入平板的长度,又称为流体进入平板的长度,又称进流深度进流深度;0 0 为主流区流体速度。为主流区流体速度。对于光滑平板而言:对于光滑平板而言:ReRex x23310 10 6 6 时为湍流;时为湍流;2 210 10 5 5 ReRex x 3310 10 6 6为层流到湍流的过渡区。为层流到湍流的过渡区。第一节第一节 边界层理论的基本概念边界层理论的基本概念(1)层流区:)层流区:xxc,使得,使得Rex2105,且且Rex 3106,这时边界层内的流动形态已进入湍,这时边界层内的流动形态已进入湍流状态,边界层的厚度随流进长度的增加而流状态,边界层的厚度随
6、流进长度的增加而迅速增加。迅速增加。第一节 边界层理论的基本概念应特别强调的是应特别强调的是:无论过渡区还是湍流区,其边界层最:无论过渡区还是湍流区,其边界层最靠近壁面的一层始终都是作层流运动,靠近壁面的一层始终都是作层流运动,此即所谓的此即所谓的层流底层层流底层。注意:注意:层流底层层流底层和和边界层边界层的区别与联系的区别与联系 层流底层是根据有无层流底层是根据有无脉动脉动现象来划分;边界层则是现象来划分;边界层则是根据有无速度梯度来划分。边界层内的流体可以是层流根据有无速度梯度来划分。边界层内的流体可以是层流流动,也可以是作湍流流动。流动,也可以是作湍流流动。第一节 边界层理论的基本概念
7、第二节 平面层流边界层微分方程(普朗特边界层微分方程)一、一、微分方程的建立微分方程的建立对于二维平面不可压缩层流稳态流动,在直角坐标系下对于二维平面不可压缩层流稳态流动,在直角坐标系下满足的控制方程为满足的控制方程为22221xxxxxypXxyxxy0yxyx连续性方程连续性方程x方向动量传输方程方向动量传输方程y方向动量传输方程方向动量传输方程22221yyyyxypYxyyxy222z2221xxxxxzzxypXtxyzxxyz注:第二节 平面层流边界层微分方程(普朗特边界层微分方程)考虑不可压缩流体作平面层流(二维流场),此时质量考虑不可压缩流体作平面层流(二维流场),此时质量力对
8、流动产生的影响较小,则有方程组力对流动产生的影响较小,则有方程组22221xxxxxypxyxxy 0yxyx连续性方程连续性方程x方向动量传输方程方向动量传输方程y方向动量传输方程方向动量传输方程22221yyyyxypxyyxy 因为因为xx是一个无穷小量,所以是一个无穷小量,所以22xxxxx是一个高价无穷小,可以略去不计。是一个高价无穷小,可以略去不计。第二节 平面层流边界层微分方程(普朗特边界层微分方程)于是,于是,x x方向动量传输方程可简化为方向动量传输方程可简化为221xxxxypxyxy 关于关于y轴方向上的动量传输方程,因为边界层厚度轴方向上的动量传输方程,因为边界层厚度很
9、很小,第三式中的小,第三式中的Vy对对x和和y的各项偏导数与的各项偏导数与x轴轴方向上的方向上的动量传输相比均属无穷小量,可略而不计。因而,第三动量传输相比均属无穷小量,可略而不计。因而,第三式可以简化为式可以简化为0pypdpxdx第二节 平面层流边界层微分方程(普朗特边界层微分方程)对主流区中的同一对主流区中的同一 y 值,不同的值,不同的 x 值其伯努利方程可写为值其伯努利方程可写为202pCg由于由于与与0皆为常数,故皆为常数,故p为常数,即为常数,即 dp/dx=0221xxxxypxyxy 22xxxxyxyy因此因此第二节 平面层流边界层微分方程(普朗特边界层微分方程)000yx
10、y,0 xy,普朗特边界层微分方程的解是由他的学生布拉修斯普朗特边界层微分方程的解是由他的学生布拉修斯在在19081908年首先求出的,他首先引入了流函数的概念,得年首先求出的,他首先引入了流函数的概念,得出边界层微分方程的解是一无穷级数。出边界层微分方程的解是一无穷级数。0yxyx22xxxxyxyy所以,原方程组就简化为所以,原方程组就简化为 定解条件为定解条件为第二节 平面层流边界层微分方程(普朗特边界层微分方程)xxxRe10.50.50 xx0Re 式中边界层厚度边界层厚度与流进距离与流进距离x x 和流速和流速0 0 的关系为的关系为23425811222213221111375(
11、)2!2 5!4 8!8 11!1232!nnnnnAAAAfACn式中:式中:Cn为二项式的系数;为二项式的系数;A2为系数,可由边界条件为系数,可由边界条件确定。确定。第三节第三节 边界层内积分方程(冯边界层内积分方程(冯 卡门方程)卡门方程)一、一、边界层积分方程的建边界层积分方程的建立立 前面将前面将连续性方程与纳维连续性方程与纳维尔斯托克斯方程应用于边界层,尔斯托克斯方程应用于边界层,并通过合理的简化处理,使方程并通过合理的简化处理,使方程的形式大为简化。但所得到的的形式大为简化。但所得到的布布拉修斯解仍然是一个无穷级数,拉修斯解仍然是一个无穷级数,使用时很不方便。而且还只能用使用时
12、很不方便。而且还只能用于平板表面层流边界层。现在我于平板表面层流边界层。现在我们将直接从动量守恒定律出发,们将直接从动量守恒定律出发,建立边界层内的动量守恒方程。建立边界层内的动量守恒方程。第三节第三节 边界层内积分方程(冯边界层内积分方程(冯 卡门方程)卡门方程)1 1)从)从ABAB面单位时间流入的质量记为面单位时间流入的质量记为m mx x、动量记为、动量记为M Mx x 对如图所示的二维平面流动问题,取图示的控制体对如图所示的二维平面流动问题,取图示的控制体(单元体),断面为(单元体),断面为ABCD,垂直于图面方向(,垂直于图面方向(z 轴方轴方向向)取单位长度。)取单位长度。dym
13、xlx0dydyMlxxlxx020第三节第三节 边界层内积分方程(冯边界层内积分方程(冯 卡门方程)卡门方程)2 2)从)从CD面单位时间流出的动量记为面单位时间流出的动量记为M x+x,流出的质量,流出的质量记为记为m x+x xdydxddymxlxlxx00 xdydxddyMlxlxxx02023)从)从BC面单位时间内流入的质量记为面单位时间内流入的质量记为ml,流入的动量流入的动量在在x x方向的分量记为方向的分量记为Ml ;而而AD面没有流体的流入、面没有流体的流入、流出。流出。第三节第三节 边界层内积分方程(冯边界层内积分方程(冯 卡门方程)卡门方程)根据质量守恒定律,则有根
14、据质量守恒定律,则有BC面在边界层之外,流体沿面在边界层之外,流体沿x方向的速度近似等于方向的速度近似等于0,故此由故此由BC面流入的动量在面流入的动量在x方向的分量方向的分量Ml4)AD面没有质量流入、流出,但有动量通量存在,面没有质量流入、流出,但有动量通量存在,其值为其值为0,故此由,故此由AD面在单位时间内传给流体的粘面在单位时间内传给流体的粘性动量为性动量为0 x。xdydxdmmmxlxxxl0 xdydxdmMlxll000第三节第三节 边界层内积分方程(冯边界层内积分方程(冯 卡门方程)卡门方程)5)沿)沿x方向一般情况下还存在着压力梯度。所以,由于方向一般情况下还存在着压力梯
15、度。所以,由于作用在作用在AB面和面和CD面上的压力差而施加给控制体的作用面上的压力差而施加给控制体的作用力为力为0000llllpddFpdypdypdyxpdyxdxdx通过前面的推导我们已经知道通过前面的推导我们已经知道0yp所以,上式变为所以,上式变为pdpFl xdx 第三节第三节 边界层内积分方程(冯边界层内积分方程(冯 卡门方程)卡门方程)建立动量守恒方程如下建立动量守恒方程如下2220000000lllxxxlxddydydyxdxddpdyxxl xdxdx化简后得化简后得000lxxddpdyldxdx 第三节第三节 边界层内积分方程(冯边界层内积分方程(冯 卡门方程)卡门
16、方程)上式就是边界层积分方程,也称为上式就是边界层积分方程,也称为冯卡门方程冯卡门方程。由前面的分析我们知道由前面的分析我们知道 是一小量,可略去不计,这是一小量,可略去不计,这时方程进一步简化为时方程进一步简化为 dxdp000 xxddpdydxdx 000 xxddydx 第三节第三节 边界层内积分方程(冯边界层内积分方程(冯 卡门方程)卡门方程)上式即为简化后的冯卡门方程,可以用于不同的流上式即为简化后的冯卡门方程,可以用于不同的流态,只要是不可压缩流体就可。态,只要是不可压缩流体就可。二、二、层流边界层积分方程的解层流边界层积分方程的解 波尔豪森波尔豪森是最早解出冯卡门方程的人,他分
17、析了方是最早解出冯卡门方程的人,他分析了方程的特点,假设在层流情况下,速度的分布曲线是程的特点,假设在层流情况下,速度的分布曲线是y的三的三次方函数关系,即次方函数关系,即x=a+by+cy2+dy3式中的四个待定常数式中的四个待定常数a、b、c、d 可由以下边界条件确定:可由以下边界条件确定:第三节第三节 边界层内积分方程(冯边界层内积分方程(冯 卡门方程)卡门方程)0,01xy)0,3yyx)0,2xy)0,0422yyx)22xxxxyxyy这些边界条件是这些边界条件是条件条件1),),2),),3)是显而易见的)是显而易见的;条件条件4)是由于)是由于y=0时,时,x=y=0;再结合前
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