黏性流体在固体表面附近流动时会形成一个非常薄的流层。在这个流层范围内,流速由零变化到理想流体绕流该表面时可能产生的数值,这个流层称作边界层。它是流动区域的一部分,其内黏性作用显著。
    在边界层外的整个流动区域称为外部流动。在外部流动区域,黏性的影响很小,可以忽略,而流动则可认为是无旋流动。由许多试验和理论研究所确立的这个情况是非常重要的,在对这两个区域的运动进行描述时,只需考虑该区所固有的运动的主要特点。
    在内流情况下(流体在管道、河道内的流动),边界层在起始段形成。此段可用速度剖面图来标出,如图2-3所示。

    在液流从喷管或孔口内向同样密度和黏度的无界介质流出时,还会遇到另一种边界层,如图2-4所示。由图可以看出,在起始段Lf段内,核心部分保持着喷管出口产生的速度。由于黏性力的作用,射流所占据的区域越来越大,而在其轴线附近形成射流边界层所特有的不均匀速度分布。若人为地规定距射流轴心某一段距离(如该处速度接近于零或为轴线上速度的1%)为射流边界,则射流边界层的范围就可确定。
    边界层和外部流动这两个区域在流动分析及计算中虽是分别考虑的,但它们并不是孤立的,只要给定一些条件就可以求出其间的边界。在某些问题中,必须考虑到边界层对外部流动的反作用,而外部流动边界上的参数是会影响边界层计算关系式的。通常用边界层沿物体表面法线方向的距离即边界层的厚度δ来表征边界层的区域。边界层内的速度接近外部流动的速度具有渐近性质,严格地说来,边界层的有限厚度或边界层与外部流动区域的边界是不存在的。为了唯一地定义边界层厚度,通常人为地约定与来流速度相差1%(或0.5%等)的地方就是外部边界。很显然,边界层厚度取决于对边界层流与外流在共同边界上速度相等所规定的精确度。

    在边界层内,由于流体的黏性作用不可忽略,速度梯度很大,伯努利方程已不适用。描写边界层内黏性流体运动的是纳维-斯托克斯方程。由于边界层厚度δ比特征长度小得多,而且x方向速度分量沿法向的变化比切向大得多,所以纳维-斯托克斯方程在边界层内可以得到很大的简化,从而可求出近似解。
    在边界层内,流动可能是层流,也可能是湍流。当雷诺数较小时,边界层内的流动状态是层流。随着雷诺数的增大,物体前缘部分的边界层(δ较小)仍保持为层流,而后面部分则会转变为湍流,形成混合型边界层(见图2-5)。随着雷诺数继续增大,层流转变为湍流的点逐渐向前推移,湍流边界层逐渐扩大而最后全部转变为湍流。湍流边界层的结构要比层流边界层的结构复杂得多,其厚度也比层流边界层厚得多。关于近壁湍流边界层的运动结构,可以近似描述如下:在紧靠壁面的附近存在着一个黏性底层,其中的流动由于有一些旋涡虽不是纯层流,但速度分布却相当近似地服从于线性定律,因而也有把这一黏性底层称为层流次层或层流子层的。在这个底层与湍流部分之间不存在明显的界限。其向湍流区速度对数分布的过渡是平缓的。过渡中还有层流失去稳定性,发生湍流扰动的区域。再往上即是速度对数分布区,它和黏性底层及过渡区一起形成近壁区。脉动能量的主要部分就发生在这一约占边界层厚度20%的区域内。在近壁区与边界层外界之间有一个“外区”,它的特点是产生湍流脉动的程度不大,其中的速度分布同对数定律稍有差别。在“外区”与外部无旋流动之间还有一个区域,称作顶层,它的特点是具有不稳定性和掺混现象。掺混现象是由低湍流物质从外部流动中周期性地渗入顶层和周期性地恢复边界层固有的湍流程度所引起的。

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