演示文稿库埃特流动和泊肃叶流动

演示文稿库埃特流动和泊肃叶流动目前一页\总数五十八页\编于十六点2023/5/16（优选）库埃特流动和泊肃叶流动目前二页\总数五十八页\编于十六点16.1引言平行流：流线是直的，且互相平行本章内容：N-S方程精确解，包括库埃特和泊肃叶流基本概念：表面摩擦(skinfraction)

热传导(heattransfer)恢复因子(recoveryfactor)

雷诺比拟(Renoldsanalogy)目前三页\总数五十八页\编于十六点库埃特流动目前四页\总数五十八页\编于十六点16.2COUETTEFLOW(库埃特流):

GENERRALDISCUSSION

边界条件Aty=D:u=ue,T=Te。上界流体和与动平板间的摩擦剪力e热传导qe平行流线（Paralelstreamline）Aty=0:u=0,T=Tw。下界流体和与动平板间的摩擦剪力w热传导qw目前五页\总数五十八页\编于十六点y方向的热流量qy=-kdT/dy(15.2)流动方向从温度高的壁面流向温度低的 冷壁：热量传输从流体到壁面热壁：热量传输从壁面到流体温度场：

1.平板上下温度一般不同,产生温度梯度

2.动能由摩擦消耗变成内能,内能的变化由温度升高显示出来（粘性耗散）目前六页\总数五十八页\编于十六点无穷长平行流动特点任何特性沿x方向不变,(任何量如果变化,就会变到无穷大或者无穷小)

v=w=0u/x=T/x=p/x=0考虑定常流，应用到粘性流动方程组：目前七页\总数五十八页\编于十六点得到：x-momentumequation:/y(u/y)=0(16.1)y-momentumequation:p/y=0(16.2)Energyequation:/y(kT/y)+/y(uu/y)=0(16.3)目前八页\总数五十八页\编于十六点方程16.1到16.3是严格的由ns方程得来(16.2)p/y=0代表垂直方向没有梯度,和以前的结果p/x=0联系说明整个流场内部没有压力梯度.以前I和II章讲的无粘流都需要压力梯度来推动流动,现在讨论的粘性流动系另外一种可以对流体施加外力的流动库埃塔流动中运动平板对流体产生的剪力维持流体流动目前九页\总数五十八页\编于十六点16.3不可压流体库埃特流动下面先讲不可压流体（可压缩的不同，在16.4讲）库埃特流动中由于在x方向没有变化,只有y方向的变化所以偏微分方程变成常微方程

d/dy(du/dy)=0然而实际上大多数粘性流动总是表达为偏微分方程,所以为了教学目的我们还继续采用偏微分符号./y(u/y)=0(16.1)目前十页\总数五十八页\编于十六点动量方程

,,都是常数.

为常数（不可压）,,都是温度函数，T为常数时,为常数.

d/dy(du/dy)=0

对为常数时,上式可以化为:

2u/y2=0.

积分得到u=ay+b

目前十一页\总数五十八页\编于十六点代入边界条件

Aty=0,u=0;=>b=0.

Aty=D,u=ue;=>a=ue/D.

所以u=ue(y/D).——x向速度线性分布

剪力e=du/dy.

代入u/y=ue/D.

所以e=(ue/D)——剪应力在全场为常值目前十二页\总数五十八页\编于十六点目前十三页\总数五十八页\编于十六点两个重要的趋势：由e=(ue/D)可知，Ue增加,剪力增加。板间距增加,剪力减小以上论述限于牛顿流体:符合牛顿内摩擦定律的流体称牛顿流体。大部分航空气动问题属于牛顿流体。非牛顿流体,血液,有机化合物….。

目前十四页\总数五十八页\编于十六点能量方程傅立叶热传导定律，qy=-kdT/dy(15.2)/y(kT/y)+/y(uu/y)=0(16.3)T变化不大时,,,变化不大,都看成是常数即使很小的温度变化，也会引起明显的热通量为简化研究，认为温度T沿y方向变化，但忽略,,随温度的很小变化,认为其为常数目前十五页\总数五十八页\编于十六点Aty=0:T=Tw。AtY=D:T=Te(k/)2T/y2+/y(uu/y)=0。应用焓h=CpT，Cp定压比热，常数压力时Cpk/(Cp)2h/y2+/y(uu/y)=0代入普朗特数的定义Pr=Cp./k得:1/Pr2h/y2+/y(uu/y)=02h/y2+Pr/2/y(u2/y)=0注意：上述公式反映了普朗特数Pr的含义目前十六页\总数五十八页\编于十六点对于库艾特流能量方程

积分得到h+Pr/2u2=ay+b。代入边条y=0，T=Tw。y=D，T=Te得到b=hwa=[he-hw+(Pr/2)ue2]/D目前十七页\总数五十八页\编于十六点将a,b代入h+Pr/2u2=ay+b得代入u的结果，u=ue(y/D)目前十八页\总数五十八页\编于十六点热流量qy=-kT/y=-k/cph/y因h=hw+[he-hw+(Pr/2)ue2]y/D-(Pr/2)ue2(y/D)2微分得h/y=[he-hw+(Pr/2)ue2]/D-Prue2y/D2qy=-μ[(he-hw)/Pr+1/2ue2]/D+μue2y/D2目前十九页\总数五十八页\编于十六点因μue2y/D2=τuey/D=τu，故qy=-μ[(he-hw)/Pr+1/2ue2]/D+τu

式中τu即为粘性耗散若忽略τu（ue很小时τu很小），上式为

qy=-μ(he-hw)/(PrD)壁面时仅考虑热流量的绝对值

qw=-k/cp|h/y|w下壁面y=0

qw=μ|[(he-hw)/Pr+1/2ue2]/D|上壁面y=D

h/y=[he-hw+(Pr/2)ue2]/D-Prue2y/D=[he-hw-(Pr/2)ue2]/Dqw=μ|[(he-hw)/Pr-1/2ue2]/D|目前二十页\总数五十八页\编于十六点分三种情况讨论热流量、焓、温度

(1)忽略粘性耗散qy=-μ(he-hw)/(PrD)h=hw+[he-hw]y/DT=Tw+[Te-Tw]y/D下壁面y=0qw=μ|[(he-hw)/Pr]/D|上壁面y=Dqw=μ|[(he-hw)/Pr]/D|或qw=k

|(Te-Tw)/D|目前二十一页\总数五十八页\编于十六点忽略粘性耗散温度型——沿Y轴线性分布目前二十二页\总数五十八页\编于十六点（2）等壁面温度条件Te=Tw,he=hwh=hw+Pr/2ue2(y/D)-(Pr/2)ue2(y/D)2T=Tw+Pr/(2cp)ue2[(y/D)-(y/D)2]Y=D/2,Tmax=Tw+[Pr/(8cp)]ue2前面已知qy=-μ[(he-hw)/Pr+1/2ue2]/D+μue2y/D2下壁面y=0qw=-μ/2ue2/D上壁面y=D

qw=μ/2ue2/D变形后qw=μ/2ue2/D=τ（ue/2)结论目前二十三页\总数五十八页\编于十六点等壁面温度的温度型

热量传输由粘性耗散产生目前二十四页\总数五十八页\编于十六点（3）绝热壁

（以下壁为例）qw=μ|[(he-hw)/Pr+1/2ue2]/D|下壁面t=0,qw=μ/2ue2/Dt>0,qw<μ/2ue2/D绝热壁qw=0(h/y)w=0.(T/y)w=0

he-haw+(Pr/2)ue2=0

绝热壁焓haw=he+(Pr/2)ue2

绝热壁温度Taw=Te+(Pr/(2cp))ue2目前二十五页\总数五十八页\编于十六点热流密度变化

下璧温度变化

最后达到平衡态此时he-haw+(Pr/2)ue2=0绝热壁时hw=haw——绝热壁焓因此流体焓h=haw+[he-haw+(Pr/2)ue2]y/D-(Pr/2)ue2(y/D)2=haw-(Pr/2)ue2(y/D)2流体温度T=Taw-(Pr/2cp)ue2(y/D)2y=0,(T/y)w=0目前二十六页\总数五十八页\编于十六点下璧绝热壁的温度型目前二十七页\总数五十八页\编于十六点恢复因子recoveryFactor总焓h0=he+(1/2)ue2绝热壁面焓haw=he+(Pr/2)ue2绝热壁面温度Taw=Te+[Pr/(2cp)]ue2通用化haw=he+r

ue2/2Taw=Te+r

ue2/(2cp)r称为恢复因子r=(haw-he)/(h0-he)=(Taw-Te)/(T0-Te)目前二十八页\总数五十八页\编于十六点雷诺类推reynoldsanalogy表面摩擦系数Cf=τw/(1/2ρeue2)=μ(ue/D)/(1/2ρeue2)=2μ/(ρeueD)=2/Re传热系数cH=qw/(ρeue(haw-he))

qw=μ[(he-hw)/Pr+1/2ue2]/D=μ/Pr

[(he-hw)+1/2Prue2]/D又haw=he+(Pr/2)ue2=μ/Pr

[hae-hw]/D

cH={μ/Pr

[haw-hw]/D}/(ρeue(haw-he))=1/(PrRe)故cH/Cf=Pr-1/2雷诺类推=传热系数/表面摩擦系数对不可压流，仅为Pr的函数目前二十九页\总数五十八页\编于十六点16.4可压库埃特流动定义速度变化很大，温度变化必须考虑，T=T(y)μ,k是温度函数，故为y的函数压力像不可压库埃特流一样全场为常数ρ=p/(RT),故ρ=ρ（T）目前三十页\总数五十八页\编于十六点流动控制方程动量方程∂（μ∂u/∂y）/∂y=∂τ/∂y=0能量方程

∂（k∂T/∂y）/∂y+∂（μu∂u/∂y）/∂y=0改写为（应用了动量方程）∂（k∂T/∂y）/∂y+τ

∂u/∂y=0

非线性常微分方程，无解析解，仅能求数值解目前三十一页\总数五十八页\编于十六点按常微分方程的记法并利用μ=μ（T）dμ/dy=(dμ/dT)(dT/dy)d(kdT/dy）/dy+τ(du/dT)(dT/dy)=0边界条件y=0,T=Tw;y=D,T=Te两点边界值问题整理后方程组为∂（μ∂u/∂y）/∂y=∂τ/∂y=0d(kdT/dy）/dy+τ(du/dT)(dT/dy)=0τ=μ（ue/D）边界条件y=0,T=Tw;y=D,T=Te目前三十二页\总数五十八页\编于十六点数值解法——打靶法假设τ,如τ=μ（ue/D）、u(y)——不可压解为初值边界条件y=0,T=Tw;y=D,T=Te变为边界条件y=0,T=Tw;y=0,(dT/dy)w已知通常为不可压流解求解d(kdT/dy）/dy+τ(du/dT)(dT/dy)=0直到y=D,检查T=Te?,否则重假设(dT/dy)w，回到2步计算，重复直到T=Te得到了T=T(y)目前三十三页\总数五十八页\编于十六点T=T(y)_——〉μ=μ(y)du/dy=τ/μ，利用1步的τ和边界条件y=0,u=0求解上式直到y=D,检查u=ue？，否则，另假设τ进行5步，反复直到u=ue用6步得到的τ，重新进行2-7,得到最终收敛的τ（大循环）目前三十四页\总数五十八页\编于十六点时间相关有限差分法二维非定常流N-S方程目前三十五页\总数五十八页\编于十六点能量方程目前三十六页\总数五十八页\编于十六点MacCormack法网格划分流入边界条件，x=0,用不可压流的解给u,v,p,T初始条件，t=0,u,v,p,T.用不可压流解或均匀值目前三十七页\总数五十八页\编于十六点预测-校正法，以x轴动量方程为例

预测步目前三十八页\总数五十八页\编于十六点校正步

用向后查分目前三十九页\总数五十八页\编于十六点重复预测-校正在