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黏性流体的外部流动分析

【摘要】:第 10 章已经探讨了黏性流体的内部流动,也就是管流问题。本章将讨论黏性流体流经物体外部表面的问题,也就是黏性流体的外部流动。对于有些问题的研究,使用非黏性流体假设可以简化研究过程,又不会影响问题的基本结论,但是在许多实际应用中,流体与接触物体表面不可能不产生黏性作用,使用非黏性流体的假设不仅影响工程计算的精度,甚至获得的结果还会和物体实际运动产生的物理现象相互矛盾,例如达朗贝尔悖论就是一个例子。

第 10 章已经探讨了黏性流体的内部流动,也就是管流问题。本章将讨论黏性流体流经物体外部表面的问题,也就是黏性流体的外部流动。自然界和工程实际存在着许多流体外部流动问题,例如,飞机在空中飞行,船舶海洋中航行,汽车在路面上的行驶以及流体在汽轮机、泵和压缩机叶片上的流动,河水流过桥墩等均属于流体的外部流动。对于有些问题的研究,使用非黏性流体假设可以简化研究过程,又不会影响问题的基本结论,但是在许多实际应用中,流体与接触物体表面不可能不产生黏性作用,使用非黏性流体的假设不仅影响工程计算的精度,甚至获得的结果还会和物体实际运动产生的物理现象相互矛盾,例如达朗贝尔悖论就是一个例子。而且在流体力学、空气动力学以及航空工程研究中发现,对物体运动分析以及汽车、船舶与航空器的外形和性能设计时,流体的黏性造成的影响往往是不能忽略的因素之一。与流体在管道内的流动问题一样,流体外部流动状态也可以分成层流湍流两种。对于流体外部层流问题多使用理论解析法和数值算法等分析方法计算求解。但是对于流体的外部湍流问题,由于湍流的复杂性,至今还不能完全通过理论推导方法求解流体问题,多使用理论分析方法配合实验研究来验证求解。黏性流体在外部流场流动问题的研究对飞机、船舶与汽车的外形设计以及汽轮机、泵和压缩机等动力装备的性能设计都非常重要,这里对外部流动问题的相关概念和近似求法以及实验研究获得的物理现象做简单的介绍,内容包括边界层的基本概念、边界层的转捩现象、层流边界层的微分方程式、平板边界层的近似计算和实验外流阻力等。