曲面边界层分离

在工程实际中,对流体机械和机翼的绕流(round flow),以及管道内外热交换时的绕圆柱管道流动等,物体壁面都是曲面,绕流时,边界层外边界上沿流动方向速度不断变化,边界层内的压强也将随之发生相应的改变。

根据理想流体势流理论的分析,在图6-1所示的曲面体MM′断面以前,由于过流断面的收缩,流速沿程增加。因而压强沿程减小。在MM′断面以后,由于断面不断扩大,速度不断减小,因而压强沿程增加。由此可见,在附面层的外边界上,M′必然具有速度的最大值和压强的最小值。由于在附面层内,沿壁面法线方向的压强都是相等的 ,故以上关于压强沿程的变化规律,不仅适用于附面层的外边界,也适用于附面层内。在MM′断面前,附面层为减压加速区域,流体质点一方面受到黏性力的阻滞作用;另一方面又受到压差的推动作用,即部分压力势能转为流体的动能,故附面层内的流动可以维持。当流体质点进入MM′断面后面的增压减速区,情况就不同了,流体质点不仅受到黏性力的阻滞作用,压差也阻止着流体的前进,越是靠近壁面的流体,受黏性力的阻滞作用越大。在这两个力的阻滞下,靠近壁面的流速就趋近于零。S点以后的流体质点在与主流方向相反的压差作用下,将产生反方向的回流。但是离物体壁面较远的流体,由于附面层外部流体对它的带动作用,仍能保持前进的速度。这样,回流和前进这两部分运动方向相反的流体相接触,就形成旋涡。旋涡的出现势必使附面层与壁面脱离,这种现象称为附面层的分离,而S点就称为分离点。由上述分析可知,附面层的分离只能发生在断面逐渐扩大而压强沿程增加的区段内,即增压减速区。

图6-1　曲面附面层的分离

附面层分离后,物体后部形成许多无规则的旋涡,由此产生的阻力称为形状阻力。因为分离点的位置、旋涡区的大小,都与物体的形状有关,故称形状阻力。对于有尖角的物体,流动在尖角处分离,愈是流线形的物体,分离点愈靠后。飞机、汽车、潜艇的外形尽量做成流线形,就是为了推后分离点,缩小旋涡区,从而达到减小形状阻力的目的。