边界层分离介绍

1探究边界层的分离现象李强（西安交通大学化工学院化工21，陕西西安710049）摘要：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。对边界层，边界层分离现象，边界层分离的机理，条件，以及如何控制边界层的分离进行一系列的介绍。最后通过若干实例介绍了人类如果对边界层分离的一些控制方法。关键词：边界层；分离点；边界层分离；机理；条件；边界层分离的控制；应用0引言当流体流经曲面物体，或者在化工输送过程中流体流经管件，阀门，管路突然扩大和缩小以及管路进出口等局部地方，都会出现边界层的分离现象。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。1边界层分离的机理1.1边界层的概念边界层学说是LudwigPrandtl于1904年提出的，其理论要点为：当实际流体沿固体壁面流动时，紧贴壁面的一层流体由于粘性的作用将粘附在壁面上而不“滑脱”，即在壁面上的流速为零；而由于流动的Re数很大，流体的流速将由壁面处的零值沿着与流动相垂直的方向迅速增大，并在很短的时间内趋于一定值。换言之,在壁面附近区域存在着一薄的流体层。在该层流体中与流体相垂直的方向上的速度梯度很大。这样的一层流体称为边界层。【1】在边界层内，流体的速度从固壁处的零（无滑移）逐渐增加到相应的无摩擦外流原有的值。【2】现以一黏性流体沿平板壁面的流动说明边界层的形成过程。如下图1所示，一流体以均匀的来流速度u0流近壁面，当他流到平板前缘时，紧贴壁面的流体将停滞不动，流速为零，从而在垂直流动的方向上建立起一个速度梯度。与此速度梯度相应的剪应力将促使靠近壁面的一层流体的流速减慢，开始形成边界层。由于剪应力对其外的流体持续作用，促使更多的流层速度减慢，从而使边界层的厚度增加，靠近壁面的流体的流速分布如图1所示。由图可以看出，速度梯度大的薄层流体即构成了边界层。随着流体沿平板的向前运动，边界层在壁面上逐渐加厚。在平板前部的一段距离内，边界层厚度较小，流体维持层流流动，相应的边界称为层流边界层。流体沿壁面的流动经过这段距离后，边界层中的流动形态由层流经一过渡区逐渐转变为湍流，此时的边界层称为湍流边界层。在湍流边界层中，壁面附近仍存在在一个极薄的流体曾，维持层流流动，这一薄层流体称为层流内层。在与壁面相垂直的方向上，在层流内层与湍流边界层之间，流体的流动既非层流又非完全湍流，称为缓冲层。【3】图1平板壁面边界层的形成1.2边界层分离及其机理首先分析理想流体绕过无限长圆柱体流动情况如图2所示。理想流体无黏性，当它流过圆柱体时，在柱体表面处滑脱。根据伯努利方程，在流场的任一点处，流速愈小，流体压力愈大。如当流体到达如图2所示A点即停滞点或者驻点时，流速为零，流体压力P最大。由于流体是不可压缩的，后继的流体质点在A点处流体高压力的作用下，只好将其部分压力能转变为动能，并被迫改变原来的运动方向，绕过圆柱体继续向下游流去。【4】2图2理想流体沿长圆柱体的绕流流动在没有压力梯度的情况下，边界层内任何一点x（x足够大）的速度比𝑢𝑢∞都可以表示为𝑦√𝜈𝑥𝑢∞的函数。如果外缘的压力不是均匀的，那么这种速度相似性就被破坏。当流体绕过柱体时，表面压力从驻点的极大值随x的增加而下降，在到达一最低点后，又慢慢回升。同时在物体表面上，u=ν=0.动量方程就简化ν(𝜕2𝑢𝜕𝑦2)0=𝑑𝑝𝑑𝑥。因此，在加速区域𝑑𝑝𝑑𝑥0，速度分布的曲率就为负；相反，在减速区域𝑑𝑝𝑑𝑥0，就为正。由于在外缘那里的动量都是正的，在加速区域速度分布的曲率总是负的，但是在减速区域内，若𝑑𝑝𝑑𝑥足够大，在表面附近的速度分布的曲率就有可能大到一定程度以致引起局部的倒流现象。早最低压力点𝑑𝑝𝑑𝑥=0，(𝜕2𝑢𝜕𝑦2)0=0；速度分布在表面上开始出现拐点。再往下游移动时，拐点就逐渐向y的方向推进，表面附近的曲率也逐渐增加。在曲率不断增加过程中，定能找到一点(𝜕𝑢𝜕𝑦)0=0，𝑑𝑝𝑑𝑥0，过了这一点(𝜕𝑢𝜕𝑦)00，倒流就开始出现了，这一点称为分离点。从物理观点来说，这种现象的出现是可以说明的。我们知道在减速区域内，流体的动能不断的消耗，而且还要在压力的反作用下向下游游动。一般来说，在减速区域，压力梯度在下游方向不断增加；在动能消耗到一定程度，表面的一层流体就不能再克服压力的作用继续流动。这就像在重力作用下的摆锤一样，在到达下一个高度后，他的瞬时速度就等于零。当那一层薄薄的流体一单停止向前运动，由于连续相的要求，下游的流体必须倒流过来，就像一个楔子一样的把边界层与固体分开。这便形成了边界层分离现象。【5】图3分离点附近流线示意图虚线表示边界层缘2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，例如流体沿平壁面上的流动即属于此；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。【6】3边界层分离的影响边界层分离现象普遍发生在生活中，在很多流体机械上和翼型物体上都会产生。例如对于固液两相离心泵，根据固液两相流离心泵的边界层理论，以固液两相流体为对象，通过实际案例从理论上分析3和阐述了边界层分离对固液两相流离心泵振动的影响，并作了对比试验。理论分析和实验的结果说明：边界层分离将引起压差阻力。边界层分离的程度越大，引起的压差阻力也就越大。实验验证了过大的压差阻力将使测试泵的性能急剧下降，振动剧烈。这表明压差阻力对振动的扰动强弱取决于边界层分离的程度。同时，系统相关参数的波动是不可避免的，能够控制的是边界层分离程度，用其减弱压差阻力的波动强度，降低水力振动。【7】4如何更好的控制边界层分离边界层分离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）。【8】4.1微型涡流发生器控制超临界翼型边界层分离实验研究在低速风洞中研究了微型涡流发生器对超临界翼型边界层分离的控制。根据超临界翼型边界层分离特性,提出了涡流发生器的流动机理。研究了梯形涡流发生器不同高度和弦向位置对边界层分离控制效果的影响。研究表明,微型涡流发生器对超临界翼型边界层分离的控制主要起减阻作用;适宜采用微型涡流发生器对超临界翼型边界层分离进行控制,其最佳位置应在分离线前2～5H涡流发生器高度之间。采用实验方法,研究了微型涡流发生器控制超临界翼型边界层分离的机理及其几何参数等因素的影响,在超临界翼型边界层分离控制方面进行了有益的探索。图4给出边界层分离位置随迎角变化α≥8°,边界层出现分离;α≤12°,分离位置缓慢前移,在0.87c～0.81c范围内;α12°时,分离区迅速发展到全翼面,可见,该超临界翼型的边界层具有在失速前分离弱,分离区发展缓慢;失速时,流态变化剧烈的特点。图4翼型边界层分离位置随迎角变化根据湍流边界层速度特性(图5),边界层厚度012δ以下,是粘性作用的主要区域,速度从零增长到外流速度的70%以上,在粘性和逆压梯度双重作用下,导致边界层在该区域发生分离,可见,只要该区域的流动速度得到提高,边界层抵抗分离的能力就会增强,边界层就不易分离,因此,涡流发生器控制边界层分离的流动机理应是,涡流发生器产生的涡流应尽可能注入到边界层厚度0.2δ以下、靠近物面的边界层底部。图5湍流边界层速度剖面图6～7给出H=0.1δ和0.8δ的涡流发生器对翼型气动力的影响(图中:CW表示干净翼型;011δ0186c表示安装位置在弦长86%处的0.1δ的涡流发生器;0.8δ0.75c表示安4装位置在弦长75%处的0.8δ的涡流发生器)。结果表明,安装位置在0.86c处011δ的微型涡流发生器比0.75c处0.8δ的大尺寸涡流发生器减阻效果好。小迎角(α≤6°)时,0.8δ的涡流发生器起增阻作用,只有在6°α12°时,018δ的涡流发生器起减阻作用,这和传统涡流发生器在其它翼型上使用所得结论一致;0.8δ的涡流发生器在所有实验迎角范围升力都是减小的,这与传统涡流发生器在其它翼型上使用时,大迎角增升的结论相反[1];而高度H=0.1δ的微型涡流发生器,虽然增升效果不明显,约小于2%,但在0°≤α≤12°迎角范围内,减阻效果十分明显,最大减阻可达20%以上。上述涡流发生器对超临界翼型边界层分离的控制作用与该翼型的边界层弱分离特性有关。图8为H=0.1δ的梯形涡流发生器在不同弦向位置时阻力增量变化曲线(图中:ΔCDΠCDCW表示加涡流发生器后的翼型相对没加涡流发生器的翼型阻力增量),由图可见,4°≤α≤12°,微型涡流发生器在不同弦向位置均有减阻作用,最佳减阻位置相对于不同迎角(α≥8°)在其分离线前2H～5H涡流发生器高度之间,也就是说,涡流发生器应尽可能靠近分离区。就流动机理而言,由于微型涡流发生器产生的旋涡较弱,粘性对旋涡耗散的影响相对较强,位置越前,远离分离区,旋涡在抵达分离区前,已耗散减弱,对分离区的控制也随之减弱,因此,只有靠近分离区,才可以对靠近物面的边界层底部(0.2δ边界层厚度以下)流动产生有效影响,起到增加边界层底部流动速度、延缓边界层分离的作用。【9】图6H=0.1δ,0.8δ涡流发生器阻力特性图7H=0.1δ,0.8δ涡流发生器升力特性图8弦向位置对减阻效果影响（H=0.1δ）54.2采用球窝控制边界层分离流动的大涡模拟用具有逆压梯度的平板分离流动模拟低压透平叶片吸力面的分离流动，采用基于动力Sma-gorins亚格子应力模型的大涡模拟对逆压梯度条件下布置在平板上单个球窝的流动特性及球窝对边界层分离流动控制的效果进行了研究，详细考察了球窝前沿边界层厚度和球窝深度的比值Ｒ分别为0.378，0.994和1.453时球窝的流动特性和控制性能．结果表明：Ｒ较小时控制性能最好；球窝内部的马蹄涡对球窝的流动起主导作用；球窝内的马蹄涡周期性脱落并在球窝尾迹区形成发夹涡排，发夹涡涡腿紧贴壁面形成流向涡，流向涡卷吸主流高能流体，由此增强了边界层能量．马蹄涡和发夹涡排对分离流动控制起主要作用．【10】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：一是物面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】【3】【4】【6】陈涛，张国亮.化工传递过程【M】.北京：化学工业出版社，2012:92-93.【2】H·史里希廷.边界层理论【M】.北京：科学出版社，1991:25.【5】郭永怀.边界层理论讲义【M】.2008：52-53.【7】徐萃萍，刘建成，朱玉才.边界层分离对固液两相流离心泵水力振动的影响【J】.黑龙江科技学院学报.2004.14（3）:149-153.【8】【10】蓝吉冰，谢永慧，张荻.采用球窝控制边界层分离流动的大涡模拟【J】.西安交通大学学报.2010.44（9）:27-32.【9】张进，张彬乾，闫文成等.4.1微型涡流发生器控制超临界翼型边界层分离实验研究【J】.实验流体力学.2005.19（3）:58-61.