《工程流体力学》课件-第7章 黏性流体绕流流动

学习要求：1.掌握绕流阻力和升力的计算方法；2.掌握边界层理论，边界层的分离和压差阻力的产生原理；3.掌握平板的摩擦阻力计算（层流、紊流）；4.掌握射流的形成及计算方法。本章作业：6-3，7-1，7-3，7-10，

9-6课程安排：

理论6学时。第7章黏性流体绕流流动第7章黏性流体绕流流动7.1绕流的阻力和升力7.2边界层7.3平板的摩擦阻力7.7射流第7章黏性流体绕流流动

第5章所讨论的黏性流体管内流动属于内部流动问题，与之相对应，本章将讨论黏性流体绕物体外表面流动问题，即绕流流动，简称绕流。绕流是工程上非常典型的流体流动问题。

本章讨论绕流流动中边界层的概念，分析由黏性而产生的摩擦阻力和由于边界层分离而产生的压差阻力、升力以及绕流流动和射流在工程中的应用与计算。7.1绕流的阻力和升力

第7章黏性流体绕流流动

7.1绕流的阻力和升力

7.2边界层第7章黏性流体绕流流动7.2.1边界层分析

普朗特提出在绕流流场中就出现了性质不同的两个流区：

（2）该区域的外侧：在这个区域，由于法线方向的速度梯度小，黏性影响体现不出来，可以忽略粘性影响，当作理想流动来处理。1.边界层概念7.2.1边界层分析

7.2.1边界层分析

7.2.1边界层分析

7.2.1边界层分析

2.边界层内的流动状态

边界层内存在层流和紊流两种流动状态。边界层内全部是层流的，称为层流边界层。仅在边界层的起始部分是层流，而在其他部分是紊流的称为混合边界层，如图7-4所示。

7.2.1边界层分析7.2.1边界层分析

7.2.1边界层分析7.2边界层7.2.2边界层的分离和压力阻力的产生

7.2.2边界层的分离和压力阻力的产生

边界层分离：边界层内的流体在进行逆压流动时，由于黏性阻力和逆压的影响，其流速迅速降低，在到达某点S时，速度降为零。S点以后的流体由于继续受反向压差的作用而形成回流。在回流与保持原向的流体之间就会产生漩涡，从而使边界层与物体的弯曲表面发生分离（如图7-6所示。边界层分离主要与曲面形状有关（平板、曲面）。

压差阻力：因为漩涡不能将其旋转的动能转化为增加的压力能，所以旋涡内的压力将保持靠近分离点的压力，而这一压力永远小于前驻点的压力，在物体前后形成了一个净压差。7.3平板的摩擦阻力第7章黏性流体绕流流动

7.3平板的摩擦阻力

因此各控制表面的动量为

7.3平板的摩擦阻力7.3平板的摩擦阻力

7.3平板的摩擦阻力7.3.1层流边界层的摩擦阻力计算

层流边界层内速度的分布为

7.3平板的摩擦阻力

7.3.1层流边界层的摩擦阻力计算

7.3.1层流边界层的摩擦阻力计算

7.3.1层流边界层的摩擦阻力计算7.3平板的摩擦阻力7.3.2紊流边界层的摩擦阻力计算

7.3.2紊流边界层的摩擦阻力计算

将式（7-21）和式（7-22）代入式（7-10），得

7.3.2紊流边界层的摩擦阻力计算对上式进行积分，得

7.3.2紊流边界层的摩擦阻力计算

7.3.2紊流边界层的摩擦阻力计算

7.3.2紊流边界层的摩擦阻力计算第7章黏性流体绕流流动7.7射流

射流是指从孔口、管嘴或缝隙中连续射出的一股具有一定尺寸的流束，射到足够大的空间中继续扩散的流动。

在很多工程技术上，如石油天然气设备、环境工程、暖通空调工程等领域，都会遇到射流问题。7.7.1射流的分类和形成1.射流的分类

（1）按射流中流体流动型态分:层流射流与紊流射流。工程技术中所遇到的射流一般是紊流射流，本章所介绍的也是紊流射流。

（2）按射流与射入空间的流体是否相同:分为淹没射流与非淹没射流。若射流与其周围介质的物理性质相同，则为淹没射流；若不相同，则为非淹没射流。7.7.1射流的分类和形成（3）按射流周围边界的情况可分为自由射流（无限空间射流）和非自由射流（有限空间射流）。

（4）按射流出流后继续运动的动力，可分为动量射流（简称射流）、浮力羽流和浮射流（浮力射流）。若射流的出流速度大，动量大，出流后继续运动的动力来自动量，称为动量射流。工程技术上遇到的大部分射流就是这种射流。

（5）按射流出口的断面形状可分为圆型射流、平面射流、矩形射流三种。7.7.1射流的分类和形成2.紊流射流的形成

以自由淹没紊流圆射流为例，如图所示。射流射入无限空间的静止流体中，由于紊流的脉动，卷吸周围静止流体进入射流，两者混掺向前运动，从而增加了射流的流量，也就加宽了射流的宽度，降低了射流的速度。越往下游，射流的边界就越宽，流量也越大，而流速就越小。7.7.1射流的分类和形成整个射流按出流后是被混掺还是未受混掺分成两部分：（1）射流边界层区：由喷口开始向内外扩展的区域。它的外边界与静止流体相接触，内边界与射流的核心区（AOD）相接触；（2）射流核心区：由喷口开始，射流未受混掺保持原出口流速流动的中心部分。核心区末断面后的射流就只有射流边界层了。初始段和主体段转折断面：射流核心区完全消失的横断面。初始段：喷口与转折断面之间的流段。射流核心区就在初始段中。主体段：在转折断面之后的流段。在主体段中，轴向流速沿流向逐渐减小。

射流与静止流体的交界面（速度为零的面）称为射流边界层的外边界面。射流核心区的外边界面就是射流边界层的内边界面。内、外边界面之间的区域就是射流初始段的边界层。7.7.1射流的分类和形成7.7.2射流的特征1.射流的几何特征7.7射流

7.7.2射流的特征

7.7.2射流的特征

2．射流的运动特征

7.7.2射流的特征

图7-29射流的动力特性7.7.2射流的特征3．射流的动力特征射流过流断面间的动量变化规律称为射流的动力特征。

4．平面射流7.7.2射流的特征

7.7.2射流的特征

7.7.2射流的特征7.7射流1．温差（浓差）射流7.7.3温差（浓差）射流

在空调工程中，常将冷风或热风射入高温或低温空间，从而达到降温或采暖的目的，这时就形成温差射流；在通风工程中，要把有害气体及灰尘浓度降低以净化空气，就要将清洁空气送入活动空间，这就形成浓差射流。

这两种射流中，除存在射流的速度场以外，还有温度场或浓度场。

温度场或浓度场的形成与速度场相同，随着射流横向的动量交换，在质量交換的同时，还出现了热量的交换和浓度的变化，形成了扩散的温度场和浓度场。但是，由于热量扩散比动量扩散要快些，从而温度场比速度场的边界发展也要快些。

如图7-30(a)所示。实线为速度场的边界，虚线为温度场的边界。浓度的扩散与温度的扩散完全相似。

然而在实际应用中，为了简化起见，可以认为温度场、浓度场的内外边界与速度场的内外边界相同，于是温差射流和浓差射流运动参数的变化规律完全可以采用上两节讨论的结果。在此则只需讨论温度场和浓度场的参数变化规律。7.7.3温差（浓差）射流7.7.3温差（浓差）射流

7.7.3温差（浓差）射流

温差射流还有一热力特性。在等压条件下，以周围气体的焓值