精选文库PAGE\*MERGEFORMAT#高等程流体力学粘性流动康顺华北电力大学能源与动力工程系学院HYPERLINK"mailto:Kangs@ncepu.edu.cn"Kangs@ncepu.edu.cn内容提纲?边界层及其方程?层流边界层流动转捩?湍流边界层结构?流动分离、二次流动与旋涡能源动力领域流动问题的主要特征?全三维?非定常?粘性高雷诺数，边界层边界层：层流、转捩、湍流（紊流），分离流动，旋涡运动叶轮机械（透平和压气机等）大多由单个或多个级组成。每个级含有一排静子叶片列和一排转子叶片列。在级内的气流场中，一般至少有以下几种流动现象发生：1、前缘马蹄涡；2、通道涡；3、顶部间隙涡；边界层转捩；5、叶片尾迹；6、旋涡、尾迹等与叶片列周期性非定常相互作用。激波、激波与边界层相互作用精选文库0PAGE\*MERGEFORMAT#边界层流动边界层边界层概念：粘性很小的流体以大雷诺数运动时，在大部分流场上可以略去粘性的作用；但在物面附近的很薄的一层流体内必须考虑粘性作用。这一薄层流体称为边界层。平板边界层示意图'*1、《诳*J、有边界的流动图谱设直匀流以零迎角平行流过一块长度为y处的速度达到层外自由流的的厚度，记为。显然，边界层的厚度是与X有关的,如右上图所示：流动分为三个区：边界层，尾迹区，位流区（外部势流区）二维平板的边界层微分方程I的平板，如左下图所示，人为规定，当某个99%时，这一点到物体
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面的距离（即y）称为边界层在改点所以可以写成（X）。（a）总体情况（b）局部放大情况<
t队OlMJ■fl,WnrJd090awt0Me山口旧D.fl«Ol«S流体在翼型的上表面形成较大的扩压区，以致引起边界层的分离。随着冲角的增大，分离点向前移动，在翼上表面的大部分及其后面形成很大的尾涡区，使翼型上、下表面的压差减小,因此升力和升力系数都急剧下降。最大升力系数的相应点称为失速点，因为超过该点飞机和涡轮机的性能均将恶化。再看翼型的阻力系数Cd与冲角的关系。当冲角较小时，翼型前后的压差很小，总的阻力中摩擦阻力是主要的，阻力边界层转捩a少二>3.304—T^fbutefit(.■minar*.■31HawMc-dalnnd-NviFvv^TirMDLfliLflFT^andDMOT»5ZDCCCft*.■E--D4-‘0湍流局部换热系数是1at)I■k・.・h+・•In赫1?■，站?r討理…「一T・—■；；；；I.仝二」’5「一」亠」铀JI1110间1:5」—ft/!'r#I./恫'“r**!4LJ不懐定点站就处？怡.■（卫..莖_L-ft£WL篇①稳定层流②T/S波③展向旋涡④三维涡破碎⑤湍流斑⑥充分发展湍流圏5.却运拥层前过:渡影响边界层转捩的因素转捩是个复杂的物理过程，受到很多因素的影响:雷诺数自由流湍流强度压力梯度、表面曲率、加速率表面粗糙度、拌线壁面温度及热流噪声波激波与边界层相互干涉等等。但至今还没有完整的理论。为了准确预估转捩，必须综合考虑上述诸多因素,转捩的分类自然转捩（NatureTransition）当来流湍流度较低（小于0.1%），层流中的Tollmien-Schlichting波或横流不稳定波的非线性指数增长将导致湍斑的出现，之后流动迅速发展为完全湍流状态，这种过程被称为自然转捩或横流转捩T-S波阶段，在来流湍流度的影响下，湍流斑直接生由于这种转捩跨越了自然转捩的一个或两个阶段，故旁路（跨越）转捩（BypassTransition）当来流湍流度较高时，转捩会直接绕过成，而后迅速发展成为完全湍流状态，被称为跨越转逆向转捩(ReverseTransition)当加速率足够大时发生。IlbfbUWlLjlaeparatiorLaminarMpomtiori①niHlrtgIosm&送)Wall&hedrlayerIksLWf^ndtjntOff!TuthikJitiA^^iJMS,Je5-2^54^5「ReynoldsNumberEfTecUonTurbineCascadePerformance(Hourtnouziadb)logRe^4^rdfts]分离泡转捩(SeparationBubbleTransition)物体扰流的前部分边界层流动常处于层流状态，其抵抗逆压梯度的能力弱，容易产生分离，层流分离后，剪切层离开壁面，由于其速度剖面不稳定，很快导致转捩，转捩后的湍流裹入能量使边界层再附，形成层流分离泡，这类转捩被称为分离泡转捩。周期性非定常转捩(Perodic-UnsteadyTransition)粘性流动一切流体都具有粘性以及尾迹区内。在高雷诺数条件下，粘性影响主要在固体壁面附近--边界层内,其它区域的流动可近似认为无粘。边界层和尾迹区内流动的主要特征：大的速度和总压梯度；产生摩擦阻力和能量损失边界层壁面速度为零、总压最小；尾迹中心线上速度和总压最小，损失最大粘性流动层流边界层内速度分布呈线性：如壁面摩擦力为:dudyy0m为流体的粘性系数，一般随温度变化例如：萨特兰(Sutherland)公式1.5TT1100T0To110描述层流流动的基本方程为NS(Navier—Stocks)方程FiFvQU为矢量守恒；UWxWyWzEFi和FV分别代表无粘矢通量和粘性矢通量,可表达为:FiFixiFiyjFizkFvFxiFVzkxiwWWxixFiiyiziEWWyWWZPwFViqiWziziyizWyiyWziz1,ij0,ijWiXjWj2Xi3WijqiXiQ其中包含哥氏力和离心力NS方程中的源项2r202Xx22Xy202XxWxXyWy未知量为：密度r、三个速度分量和温度。压力可由状态方程求出。理想气体的状态方程为六个未知数、六个方程粘性流动=>无量纲参数雷诺数：Re-LUR为流体的密度,叶顶的线速度）L为特征长度（一般取为转子叶顶半径），U为特征速度（一般取为转子普朗特数：prCp对于空气，普朗特数为0.708粘性流动A湍流流动层流流动间歇湍流完全发展湍流湍流流动时非定常流动湍流由不同尺度的旋涡形成。湍流的尺度由涡旋的尺度所确定。能量从大尺度涡旋向小尺度涡旋传递大尺度区雷诺数大，小尺度区雷诺数小Ill*-^.：|lrril"|ir!-ll!'hll?IVIII!ILlIlb儿』汕皿11帕1川出川川II川门II川刑|XifPl-6***1'-*・屮—TMX孑mneujscE—當工HX誥LII]]Al*口TJI1IHII热线测得的当地速度随时间的变化湍流的时间尺度:k/湍流的速度尺度:k1/2湍流的长度尺度:k3/2/EnetqyProduction000(oooo
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