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2023-06-22
边界层转捩现象分析与优化方法
【摘要】：流体在外部流动时，因为流体的黏性作用层流边界层转换成湍流边界层的现象称为边界层转捩现象，而从层流边界层开始转换成湍流边界层的位置即称为边界层转折点。也就是如果流体发生边界层转捩现象，在转折点xc之前或雷诺数小于临界雷诺数Rce的流体流动形态仍为层流，而在转折点xc之后或雷诺数大于临界雷诺数Rec的流体流动形态视为湍流。
根据边界层的相关研究，对于一定流速流体的外部流动，流体边界层内的流动也会产生层流和湍流两种流动状态，其对应的边界层分别称为层流边界层和湍流边界层。流体从层流边界层转换成湍流边界层的运动现象称为边界层转捩现象（Boundary layer transition phenomenon），从层流边界层开始转换成湍流边界层的位置称为边界层转折点（Boundary layer transition point），流体在外部流动发生转捩现象的主要原因和第10章讨论完全发展流区形成过程的原因类似，都是因为流体流经平板时，影响并未完全受到黏性效应的影响，而随着流往下游，流体边界层逐渐增厚的缘故。这里仍以流体流经平板为例说明，其流动状态如图11-5所示。
图11-5 边界层转捩现象的示意图
从图中可以看出，流经平板时，流体受到黏性效应的影响，开始于平板的最前端形成边界层且边界层的厚度往下游逐渐增大，即黏性的影响范围会随着流体向下游逐渐向外扩张。在边界层的前部厚度较小，流体的速度梯度较大，流体受到黏性剪应力的作用较大，流场流速的扰动会因为剪应力而衰减，此时边界层内的流动属于层流状态，其边界层称为层流边界层。随着边界层厚度的逐渐增大，流体的速度梯度逐渐减小，流体的黏性剪应力的作用也随之减小，流体惯性力对流场的影响比黏性剪应力来得大，边界层内流体质点的运动将呈现不规则性的扰动，也就是流体的运动状态开始从层流经过渡区转变成湍流，湍流区的边界层称为湍流边界层（Turbulent boundary layer）。流体在外部流动时，因为流体的黏性作用层流边界层转换成湍流边界层的现象称为边界层转捩现象，而从层流边界层开始转换成湍流边界层的位置即称为边界层转折点。在边界层转捩现象的发展过程中，边界层转折点和平板最前端之间的距离称为转捩长度（Transition length），用符号xc表示。在边界层转折点对应的雷诺数称为边界层临界雷诺数（Critical Reynolds number of boundary layer），用符号Rec表示。根据边界层相关实验中能够得到边界层临界雷诺数Rce和边界层转折点至前缘的距离xc之间的关系式为
式中，u0和ν分别是均匀流的流速以及流体的运动黏度。在外部流动问题中，临界雷诺数并非常数，而与来流的脉动程度有关。如果流体开始接触平板时就已经受到干扰，也就是来流的脉动程度强，流动状态的改变发生在较低的雷诺数；反之则发生在雷诺数较高值。光滑平板边界的临界雷诺数为 5×105 ～3×106，即
流体在过渡区的流动状态极不稳定，只要外界稍有扰动，就有可能转变为湍流，一般会把流体在过渡区的流动问题归属于湍流问题。也就是如果流体发生边界层转捩现象，在转折点xc之前或雷诺数小于临界雷诺数Rce的流体流动形态仍为层流，而在转折点xc之后或雷诺数大于临界雷诺数Rec的流体流动形态视为湍流。
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2023-06-23
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