边界层理论概述(西安交通大学化工学院)摘要：边界从卩】是一个薄层，在黏性流体经过某些表面曲率较人的物体时，会产生边界丿兴•固体表面分离的现彖边界层分离理论化工流体输送和流体力学的研究应用方面具有非常重要的作用通过查询相关 书籍文献，此文就边界层发生分离的机理，边界层分离的条件以及如何控制和町以采取的措施几个方面做 一个系统的概述关键词：边界层分离;理想流体;逆压梯度;流体黏性;边界层分离的控制；应用The overview of boundary-layer separation phenomena(Department of chemical engineering, Xian JiaoTong University )Abstract: The boundary layer is a thin layer. When viscous fluid passes through some objects with large surface curvature, the boundary layer is often separated from the solid surface・ This phenomenon is worth studying・ By consulting relevant books and literature： in this paper, We tend to summarize systematically the mechanism of boundary layer separation, the conditions of boundary layer separation and how to control it.Key words: Boundary Layer Separation; Ideal Fluid; Inverse Pressure Gradient; Fluid Viscosity; Control of Boundaiy Layer Separation; Application引言当流体流经曲面或化工流体输送中流体经过管道，阀门，突阔突缩以及管道进出口等，都会 出现边界层分离鬥现象。
在化工过程中，目前对于因边界层分离的有关计算主要是依靠经 验方法，理论知识比较匮乏所以对于进一步研究边界层分离现象有着重要的意义1•边界层发生分离的机理L1边界层分离概述边界层是一个薄层，它紧靠物而，沿壁而法线方向存在着很大的速度梯度和旋度的流 动区域粘性应力对边界层的流体来说是阻力，所以随着流体沿物而向后流动，边界 层内流体流速会减小，压力增加由于流体流动的连续性，边界层会变厚，以在同一 时间内流过更多的低速流体因此边界层内存在着逆压梯度，流动在逆压梯度作用下， 会进一步减速，最后整个边界层内的流体的动能都不足以长久的维持流动一直向下游 进行，以致在物体表而某处其速度会与势流的速度方向相反，即产生逆流C该逆流会 把边界层向势流中排挤，造成边界层突然变厚或分离边界层分离之后，它将从紧靠 物面的地方抬起进入主流，与主流发生参混，结果是整个参混区域的压力趋于一致1.2模型分析现以黏性流体绕过一无限长圆柱体的流动为例，从边界层的形成和变化过程來说明曲 而边界层的分离现象如图1所示:当流体到达A点（驻点）时，流速为零， 流体的压力P最大由于流体是不可压 缩的，后继流体质点在A点处，流体高 压力作用下，只好将部分压力作用转化 为动能，沿圆柱体继续向下游流动。
乂 由于流体黏性作用，沿柱体表血的法线 上将建立起速度边界层，且沿流动方向 逐渐加厚在AB段，外流区域小的势流流动都处于加速减压的状态由于边界层内各截面上压强近似 等于同一截面上边界层外边界上的流体压强，可知边界层内部流体也处于加速减压状态所 减少的压力能，部分用于克服由于黏性流动所产生的摩擦阻力，另外一部分转化为动能，形成加速流在AB段，压力梯度dpdxAO,称为顺压区当流体到达圆柱体最高点B时，速度达到最大，压力最小B点之后，外部势流及边界层内的流动均处于减速加压的状态下，压力递增，流速递减，dpdxZ>0,称为逆压区由于压力与黏性阻力的共同作用，流体动能越来越小当到达C点时，近壁处流体质点的动能已被消耗殆尽，流体质点不能继续向前运动，于是一部分流体质点在 C点停滞下来在C点，流体速度为0,但压力较上游更大由于流体是不可压缩，后继流体质点因C点处高压而不可接近，被迫脱离壁面和原来的流向 向下游流去这种边界层脱离壁面的现象称为边界层分离，C点称为分离点过C点以后，压力继续增加，在压力差的作用下，除壁上流体质点速度仍处于零外，近壁处 的流体质点开始倒退而后的流体质点在近推处同样被迫停滞和倒退，以致越来越多被阻滞 的流体短时间内在圆柱体表面和主流Z间堆积起来，使边界层剧烈增厚，边界层内流体质点 的倒流迅速扩展，而边界层外的主流继续向前流动。
这样在C点下游，以CC线为界，在CC以内是倒流，以外是向前的主流，两者方向相反2. 理想流体是否会发生边界层的分离当理想流体沿长圆柱体绕流流动时，如图2,由于理想流体无黏性，会在柱体表面发生 滑脱为分析流体流动内部的压力与速度分布规律在流动的水平方向上任取两点， 根据伯努利方程:由此可知，在流场的任一点处，流速 愈小，流体压力越大当流体到达图中A 点时，流速为零，流体的压力P最大由 于理想流体是不可压缩的，因此，后继的流体质点在A点处流体高压力的作用下，将 部分压力能转变为动能，并被迫改变原来的运动方向，绕过圆柱体向下游游去；由于 柱体前后的流动完全对称，故压力在柱体前后的作用也完全对称，其结果是流体对柱 体并未施加任何曳力由此，理想流体由于无黏性，不会发生边界层分离3. 边界层分离的条件产生边界层分离的必要条件有两个：一是物面附近的流动区域中存在逆压梯度；二是流 体的黏性二者缺一不可如果仅有流体的粘性而无逆压梯度，则流体不会倒流回来, 例如流体沿平壁而上的流动即属于此；反之，如果仅存在逆压梯度而无黏性力作用，也 不会产生边界层分离，如在本文中描述过的理想流体绕过柱体的流动，在柱体表面处滑脱而不产生边界层分离现象4. 如何更好的控制边界层分离边界层控制是很有意义的实际问题，它是黏性流体力学中的专门课题鬥4. 1.固体壁面的移动避免分离最明显的方法是防止边界层的产生。
边界层的存在意味着固体壁面附近的流速与流 体主流速度存在着很大差界如果让同体壁血与流体一起运动，这样就能减小速度差异，达 到减阻的目的得到壁血移动这种结果的最简单的方法是圆柱旋转圆柱放在与其轴线相垂 直的流动中，旋转圆柱在流动方向与柱迦运动方向相同的一侧，完全消除了分离；而在流 体运动方向与壁血运动方向相反的另一侧，仅发生了不完全的分离除旋转圆柱外，其他物 体要想让壁面与流体一起运动，实现起来是很困难的，冈此这种方式实用性较差4. 2加速边界层（吹除）如果能够提供…定的能量给边界层中被阻滞的流体质点，就能防止边界层的分离.加速边界 层有两种方式，一种是吹气，另一种是加襟翼（开缝翼），机翼内喷出一股气流，这就是吹气 的方式，延缓边界层的分离为了壁血吹出的射流在出「1后面短距离内转化为旋涡，一定要 非常注意缝I I的形状通过加襟翼，从主流获得能量来加速边界层这两种方法都可以使机 翼在大攻角下推迟分离4. 3抽吸边界层在边界层将要发生分离之前，把部分流体从边界层中吸除，在缝口后曲的区域可以形成一个 新的重新能克服一定逆压梯度的边界层采用适当的缝I I结构和在适当条件下，以完全防止 边界层分离。
普朗特首先进行了抽吸应用的实验，后来这个办法广泛地应用在飞机机填设计 上由于采用抽吸，在大攻角时，在上翼面可以得到明显的吸力增加，从而得到更大的最大 升力值4.4层流翼型采用适当的机翼形状可以推迟层流边界层转变为湍流边界层这种作用与抽吸边界层的效果 …样，可以减少摩擦阻力外流中的压力梯度强烈地影响边界层转扌戾点的位置在压力递减 时，出现转據的雷诺数要比压力递增时高得多压力沿流动方向递减对边界层具有很大的稳 定作用；压力沿流动方向递增时作用相反：这种情形在现代低阻翼型上得到应用将最大厚 度截面大大后移，就能得到这种所希望的结果采用这种方法，翼型的大部分区域是在向下 游递减的压力影响下，因而能维持层流边界层4.5注射不同的气体通过多孔壁而向边界层注入与外流不同的轻质气体，可以降低壁而与气流之间的热交换率, 这是采用这种方法所产生的最重要的作用之一由于这个原因，这种方案经常用来提供高超 声速速度下的热防护注射在边界层内产生一种混合气体，因此除了动暈传递和传热过程以 外，还增加了由于扩散引起的传质过程一般说来，对于沿浓度梯度的扩散而言，一定不要 忽略热扩散当液体薄膜在壁而上蒸发时或者当壁而材料本身熔化或升华时，也会发生类似 的过程。
卩】5•结论5. 1边界层分离现象是指当一个粘性流体流过曲面物体例如圆柱体时，在物体表面附近形成 边界层但在某些情况下如物体表面曲率较大时，常常会出现边界层与固体壁面想脱离的现 象5. 2产生边界层分离的必要条件有两个：一是物而附近的流动区域中存在逆压梯度；二是流 体的黏性5. 3分离流动的控制分主动和被动2种，分别采用主动控制方法（涡流）和被动控制方法（球 窝）参考文献：【1】【2】【3】【4】陈涛，张国亮.化工传递过程【町•北京：化学工业出版社，2012:92-93.[5]沈巧珍等编著，冶金传输原理,冶金丁•业出版社,2006年8月【6】邹高力，贺征，顾璇编著，粘性流体力学国防工业出版社,2013. 06。