邊界層的概念是由德國學者普朗特(Prandtl)在1904年的海德堡國際學術會議上首次提出來的。普朗特認為，黏度比較小的流體(空氣、水)繞過物體流動時，黏性切應力對流動的影響僅僅局限在物體表面的薄層內，而在此薄層以外，流體的黏性影響很小，流體可視為理想流體，流動可視為無旋流動(勢流)。
基本介紹
- 中文名：邊界層流動
- 外文名：boundary-layer flow
- 所屬領域：流體力學
- 本質：無旋流動
- 提出時間：1904年
- 提出人員：德國學者普朗特
介紹,特徵,原理,控制技術,
介紹
實際流體的流動問題可分為兩大類：一類是流體在固體壁面所限定的空間範圍內流動，如管道或通道內的流動，這類流動稱為內流；另一類是流體從物體的外部流過，如風吹過建築物，水流過橋墩，熱交換器中流體沖刷傳熱管的流動，或物體在靜止流體中運動(如飛機在空中飛行)，等等。如果從固定在物體上的坐標系觀察，則物體靜止不動，流體繞物體流過，這類流動稱為外流或繞流。研究繞流問題的著眼點常與內流問題不同，所關心的是物體周圍流場的分布情況、物體受到的阻力和升力，以及流體繞物體時的黏性作用特性。
大多數的黏性流體力學問題，往往需要進行物理的或數學的近似，將基本方程加以簡化，以便於求解。有些流動的雷諾數很小，這一類流動稱為小雷諾數流動，可以相應地忽略某些項，簡化方程，從而使問題得到解析解。另外還有一類流動，由於巨觀尺度和流速較大，使得雷諾數很大，這種流動就屬於大雷諾數流動。在這種情況下，由於在流體與固體的接觸面附近，需要滿足無滑移條件，其流速較小，因而局部的雷諾數仍然較小。邊界層流動就屬於這種情形。在邊界層流動中，需要在靠近固壁的局部區域考慮黏性的作用，而在此區域之外不計黏性，即當成理想流體，從而可使許多流動問題得到解答。
下面舉例說明翼形的繞流運動和管內湍流運動。當流速較低、攻角較小時，翼形附近的繞流運動呈現為層流狀態；當流速逐步提高、攻角逐步增大時，層流變得不穩定；當流速和攻角較大時，會出現嚴重的流動分離現象，在分離區域內呈現為旺盛的湍流運動。同時還可注意到，無論是層流還是湍流，流速變化較大的區域只在緊靠翼形壁面的區域，而遠離壁面的區域流速變化很小。
特徵
1904年普朗特(L．Prandtl)首先提出了邊界層概念。通過實驗觀察，他發現對於諸如空氣、水等普通的黏性流體，在大雷諾數繞流情況下，黏性的影響僅局限在物體壁面附近的薄層以及物體之後的尾跡流中。流動的其他區域速度梯度很小，黏性的影響也很小，可以按理想流體的勢流理論來處理。物體壁面附近的薄層記憶體在著較大的速度梯度，黏性影響不能忽略，他把這一薄層稱為邊界層(Boundary．layer)。下面討論其基本特徵。
設極薄平板突然置於來流速度為u，的流場中：
1)如果不考慮黏性(即理想流體)，則對原流場無干擾；
2)如果考慮黏性——壁面無滑移，並形成邊界層流動；
通常把各個截面上速度達到0.99u值的所有流體質點的連線定義為邊界層外邊界，並把外邊界到物面的垂直距離定義為名義邊界層厚度(Nominal thickness)。
應當注意：邊界層的外邊界並不是流線，通常，流線會穿越邊界層的外邊界而進入邊界層內部，即邊界層的外邊界兩側的流體存在質量和動量交換。
原理
在正常氣壓和氣溫下，空氣的黏性很小，儘管如此，黏性對於空氣流動的影響仍十分顯著，特別是在靠近物體表面的區域。由於空氣的黏性效應，與物體表面接觸的空氣貼附在物體表面，它將減慢靠近物體表面的一層空氣的運動，這一空氣層就稱為邊界層。與前述大氣邊界層中的平均風剖面類似，在邊界層內，氣流的速度從物體表面上為零(即無滑動)逐漸增大到邊界層外的氣流速度。實際上．大氣邊界層就是一個典型的物體邊界層例子。邊界層是空氣黏性效應的一個重要表現。
如果邊界層內的流體微粒速度因慣性力減小到使靠近物體表面的氣流倒流，便出現了邊界層分離。這種減速效應是因為氣流中存在逆壓梯度．當這種逆壓梯度很大時，就會引起流動分離，例如鈍體拐角的繞流就能產二生這樣大的逆壓梯度。分離層形成離散的旋渦，並脫落到鈍體後方氣流中，這些旋渦使得分離點(如拐角或房檐等)附近出現非常大的吸力。
控制技術
綜述
大涵道比低壓渦輪葉片通道的雷諾數很低，流場處於層流狀態，相對容易發生邊界層分離，其具體流場參數(葉型負荷分布、雷諾數、來流湍流度等)也決定了是否發生分離/再附、分離點/再附點的位置等。而且大涵道比渦扇發動機低壓渦輪葉片的展弦比一般比較大，在3：1到7：1之間，因此馬蹄渦、角渦、泄漏渦等端區、尖區二次流流動所能影響到的範圍有限，故而二次流損失所占比例較小。在這種情況下，邊界層分離造成的損失成為低壓渦輪內部最重要的流動損失，是影響低壓渦輪氣動效率的主要因素。在低壓渦輪的非定常設計中利用高湍流度與上游尾跡可以誘導邊界層的旁路轉捩，抑制邊界層分離，但其控制效果也受到負荷、雷諾數大小、尾跡頻率等參數的影響，並不能夠完全解決這一問題。作為抑制邊界層流動分離的另一種有效途徑，流動控制技術或獨立作用於低雷諾數高負荷低壓渦輪吸力面邊界層。或與尾跡共同作用，在渦輪部件中起到減小分離損失、實現高負荷渦輪設計的功能。
表面絆線促進轉捩技術
對於逆壓梯度非常大的低雷諾數高負荷渦輪葉片吸力面流場，僅僅依靠非定常尾跡不足以有效抑制邊界層分離。如T106C葉型渦輪葉柵，當雷諾數低至174000時，尾跡逆射流誘導的轉捩有較明顯的延遲，它形成的寂靜區持續時間也較短。如此，則分離泡長度的減小並不明顯，邊界層損失的降低量也受到很大限制。在此基礎上設定絆線以施加擾動，則可以明顯縮短轉捩與尾跡之間的延遲。在此情況下，分離泡才被明顯地縮短，邊界層損失明顯降低。此外，絆線提前轉捩，減小邊界層損失的技術可以在相當寬廣的雷諾數範圍內有效。
絆線控制提前轉捩的效果與絆線的高度、形狀密切相關。最佳的絆線高度大約是當地邊界層位移厚度的60%。台階形的絆線比圓形絆線的控制效果更好，而波浪形絆線僅在無尾跡的情況下具有提前轉捩的效果。然而，以提前轉捩為目的的絆線控制方式增加了湍流的濕面積，為了減小湍流邊界層的摩擦損失，應適當使載入位置靠後。
粗糙表面控制轉捩技術
與絆線類似，粗糙的葉片表面也對邊界層流場形成擾動。在低雷諾數高負荷渦輪的吸力面，局部逆壓梯度導致的流動分離、轉捩以及相應的流動損失大小都受到表面粗糙度的影響。J．P．Bons總結表面粗糙度控制邊界層流動分離的相關研究後認為，邊界層流動分離可以通過適當地增加局部表面粗糙度來控制。這種控制既可以通過提前轉捩來實現，也可以僅在層流邊界層流場中發揮作用，即通過增強動量交換而不藉助轉捩來促進分離流場再附。
在試驗研究中，葉片表面粗糙度一般用離散的粗糙元陣列來定量模擬。MariaVera等針對後載入超高負荷渦輪，用計入尾跡非定常作用的葉柵試驗證實了粗糙表面控制葉片吸力面分離，減小邊界層損失的作用。而Stephen K．Roberts等用柔壁模擬渦輪負荷分布，在平板上研究了粗糙元陣列對邊界層流場轉捩先兆、分離泡尺度的控制作用。研究表明，粗糙元陣列雖然不會明顯改變轉捩先兆波的頻率，但卻可以明顯增大先兆波的初始擾動幅值。
