边界层厚度动态变化
空气掠过一块平板,紧贴板面形成一层被拖慢的薄流体。 拖动速度滑块,看这层流体在由平滑转为湍流的同时如何变薄。
空气掠过一块平板,紧贴板面形成一层被拖慢的薄流体。 拖动速度滑块,看这层流体在由平滑转为湍流的同时如何变薄。
流体掠过固体表面时,摩擦会让紧贴壁面的那层流体几乎静止,这一层被拖慢的流体就是边界层。它的速度从壁面处的零一路升高,到边界层外缘才达到自由流速度。
这个模拟器把一块平板放进稳定的气流里。边界层从前缘开始,向下游逐渐增厚,途中还可能改变性质。
边界层决定了阻力、传热,以及流动会不会从壁面分离。它虽然很薄,却左右着工程师关心的许多行为。
两个要点最关键:在当地雷诺数越过临界值之前,边界层一直是层流;一旦转捩为湍流,它的增厚速度会远快于层流阶段。
在平板上方较远处,空气未受扰动,以你设定的自由流速度 U∞ 运动。这个速度,加上沿平板的距离,共同决定了后面的一切。
当地雷诺数等于速度乘以距离再除以运动粘度。它在前缘很小,向下游稳定上升,反映边界层已经发展的时间有多久。
只要雷诺数低于约 50 万,边界层就平滑有序,称为层流。越过这个临界值后流动变为湍流,转捩点正是这一变化的位置。
湍流对流动的掺混远比平滑的层流剧烈。转捩之后边界层增长得更陡,速度剖面也更饱满,靠近壁面处上升得很急。
平板末端的标注给出当地厚度 δ(x)。提高自由流速度会提升雷诺数、把转捩点推向上游,出口处的边界层因此更薄。
它是紧贴壁面、被摩擦拖慢的一层薄薄的流体。壁面处速度为零,到边界层外缘才重新升回到自由流速度。
流体流得越远,摩擦作用的平板越长,被拖慢的流体就越多,边界层随之增厚。在层流段,它按距离的平方根增长。
它是当地雷诺数超过约 50 万的位置,边界层也在这里从平滑的层流转为湍流。转捩之后,边界层增厚的速度明显加快。
速度越高,平板上每一处的雷诺数都越大,转捩点被推向上游,同样长度的平板上边界层就更薄。
每条曲线表示某个位置处速度随高度的变化。层流剖面是一条平缓的抛物线,湍流剖面更饱满,靠近壁面处上升得更陡。
不是。边界层相对平板长度非常薄,图中把垂直方向放大了约 15 倍,才让它的形状看得出来。