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1、2.8.2 边界层分离边界层分离1. 不同不同形状形状物体表面上的边界层特征各不相同。物体表面上的边界层特征各不相同。 对对于于平平壁壁板板面面，其其边边界界层层以以外外的的流流动动是是均均匀匀的的，无无速速度度梯梯度度，也也无无压压力力梯梯度度的的。其其边边界界层层内内压压力力在在垂垂直直于于流流动动方方向向上上的的变变化化可可以以忽忽略略，所所以以，在在同同一一x x距距离离处处，边边界界层内外的压力均相同层内外的压力均相同。 若若在在流流动动方方向向上上的的通通道道截截面面积积发发生生变变化化（收收缩缩或或者者扩扩张张），则则边边界界层层外外的的速速度度和和压压力力沿沿流流动动方方向向均
2、均会会发发生生变变化化，它它将将对对边边界界层层内内的的流流动动有有显显著著影影响响。正正是是由由于于边边界层内的界层内的压力压力沿流动方向的急剧变化，引起了沿流动方向的急剧变化，引起了边界层分离边界层分离这一重要现象。这一重要现象。2边界层分离（边界层分离（Boundary Layer Separation） 在某些情况下，边界层内流体发成在某些情况下，边界层内流体发成倒流倒流，引起边界层与固定壁面的，引起边界层与固定壁面的分离分离，并同时产生，并同时产生涡旋涡旋的现象。的现象。 边界层分离是造成流体能量损失的主要原因之一。边界层分离是造成流体能量损失的主要原因之一。32.8.2.1 边界层
3、分离的形成过程边界层分离的形成过程 理想流体流经无限长圆柱体理想流体流经无限长圆柱体 因因流流体体无无黏黏性性，其其在在整整个个流流场场均均无无能能量量损损失失，在在圆圆柱四周的压力分布和速度分布完全对称柱四周的压力分布和速度分布完全对称 停停滞滞点点A A的的速速度度为为零零，压压力力最最大大；从从A A到到B B，流流速速逐逐渐渐增增加加，压压力力逐逐渐渐减减小小，至至B B点点，速速度度达达到到最最大大值值，压压力则为最小值。力则为最小值。45. 过了过了B B点，流速开始减慢，主流体和点，流速开始减慢，主流体和边界层流体均处于减速、增加状态，称为边界层流体均处于减速、增加状态，称为逆向
4、压力梯度，即逆向压力梯度，即 ， 。 在剪应力和逆向压力梯度的双重作用在剪应力和逆向压力梯度的双重作用下，边界层流体的动能逐渐消耗殆尽，而下，边界层流体的动能逐渐消耗殆尽，而形成一个新的停滞点形成一个新的停滞点P P，在该点处速度为，在该点处速度为零，压力达到极大值。零，压力达到极大值。6边界层分离边界层分离 由由于于流流体体是是不不可可压压缩缩的的，故故后后续续流流体体到到达达P P点点时时，在在高高压压作作用用下下被被迫迫离离开开壁壁面面和和原原流流线线方方向向，将将自自身身部部分分静静压压能能转转变变为为动动能能，脱脱离离壁壁面面并并沿沿另另一一条条新流线方向向下游流去。新流线方向向下游
5、流去。 这这样样，在在P P点点的的下下游游就就形形成成了了空空白白区区，在在逆逆向向压压力力梯梯度度的的作作用用下下，必必有有一一股股倒倒流流的的流流体体补补充充进进来来，但但它它们们又又不不能能靠靠近近处处于于高高压压下下的的点点P P而而被被迫迫退退回回，形成涡旋形成涡旋。7边界层分离边界层分离l通常将上述边界层脱离壁面的现象称为通常将上述边界层脱离壁面的现象称为边界层分离边界层分离。l点点P P称为称为分离点分离点紧靠边壁的边界层中顺流和倒流之间的分界线。紧靠边壁的边界层中顺流和倒流之间的分界线。l在在P P点有点有： l在在分分离离点点之之后后，顺顺流流和和倒倒流流两两区区间间必必然
6、然存存在在一一个个分分界界面面分分离离面面。它它是是不不稳稳定定的，任何微小的扰动，都会造成它的破裂，而发展成涡旋。的，任何微小的扰动，都会造成它的破裂，而发展成涡旋。8对比对比理想流体理想流体和和不可压缩流体不可压缩流体经过圆柱体经过圆柱体9总结：总结：l1 1、分离过程分离过程：在顺压梯度区（：在顺压梯度区（B B点前点前) )：流体加速：流体加速 在逆压梯度区（在逆压梯度区（B B点后点后) )：BPBP段减速段减速P P点停止点停止P P点后倒流。点后倒流。l2 2、分离的原因分离的原因 黏性黏性l3 3、分离的条件分离的条件 存在逆压梯度，且压力梯度与剪应力梯度相比足够大。存在逆压梯
7、度，且压力梯度与剪应力梯度相比足够大。l4 4、分离的实际发生分离的实际发生 微团滞止和倒流微团滞止和倒流 粘性流体在压力降低区内流动（加速流动），决不会出现边界层的分离，只有在压力升高区内流动（减速流动），才有可能出现分离，形成漩涡。尤其是在主流减速足够大的情况下，边界层的分离就一定会发生。 102.8.2.2边界层分离条件边界层分离条件 如如上上所所诉诉，在在边边界界层层分分离离点点前前流流线线图图形形与与理理想想流流体体基基本本相相似似，而而分分离离点点后后则则发发生生了了实实质质性性的的改改变变。相相应应的的压压力力分分布布也也发发生生了了很很大大变变化化，它它转转而而又又影影响响到到
8、产产生生边边界界层层分分离的条件。离的条件。 最最终终分分离离点点的的位位置置将将取取决决于于最最终终的的压压力力分分布布和和速速度度分分布布，而而不不是是取取决决于于最最初初的的流流线图形。线图形。 11l如图如图2-292-29，在分离点，在分离点P P处，速度分布曲线在壁面处的切线正好与壁面垂直。处，速度分布曲线在壁面处的切线正好与壁面垂直。l若若流流体体速速度度较较小小，在在圆圆柱柱体体壁壁面面形形成成的的边边界界层层为为层层流流边边界界层层时时，分分离离点点将将逐逐渐渐向向上游移。如图上游移。如图2-302-30（a a）l若若流流速速较较大大，在在在在圆圆柱柱体体壁壁面面形形成成的
9、的边边界界层层为为湍湍流流边边界界层层时时，分分离离点点位位置置更更加加靠靠后。如图后。如图2-302-30（b b）1213.l在在分分离离点点之之后后，会会形形成成尾尾涡涡区区，同同时时在在物物体体后后端端还还会会出出现现具具有有涡涡旋旋运运动动的的尾尾流流，从而导致了物体从而导致了物体形体阻力形体阻力F Fdfdf的产生。的产生。l由由于于湍湍流流边边界界层层分分离离点点较较层层流流边边界界层层靠靠后后，故故形形成成尾尾流流较较小小，形形体体阻阻力力也也较较小小，但并不意味着总阻力较层流小。但并不意味着总阻力较层流小。l像像圆圆柱柱这这样样具具有有凸凸形形的的物物体体所所产产生生的的阻阻力力都都主主要要来来自自自自由由压压差差所所引引起起的的形形体体阻阻力力，只有在低只有在低ReRe下才考虑摩擦阻力。下才考虑摩擦阻力。l物物体体表表面面为为流流线线型型或或平平壁壁时时，总总阻阻力力则则以以摩摩擦擦阻阻力力为为主主，形形体体阻阻力力反反而而可可以以忽忽略略不计。不计。14分离实例分离实例15
