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边界层理论(流体)

1904
  • Ludwig Prandtl
航空航天工程师在风洞中分析飞机机翼模型周围的气流。

边界层是紧靠边界表面的一层薄薄的流体,在这层流体中会受到以下因素的影响 粘度 是重要的。这一概念由路德维希-普朗特(Ludwig Prandtl)提出,通过将流动分为两个区域来简化流体动力学问题:粘滞性占主导地位的薄边界层和可应用粘性流动理论的外部区域。

路德维希-普朗特的边界层理论是流体力学理论与实验结果相协调的重大突破。1904 年之前,基于不粘性流的理论(如达朗贝尔悖论)错误地预测了物体在流体中运动时的阻力为零,这显然与现实相悖。普朗特提出,流体摩擦(粘度)的影响虽然在大部分流动中可以忽略不计,但在邻近物体表面的极薄层中却至关重要。这就是边界层。

在该层内,流体速度从表面的零(无滑移条件)变为层边缘的自由流速度。这种速度梯度会产生剪切应力,这是表面摩擦阻力的来源,而表面摩擦阻力是气动阻力的两个主要组成部分之一。边界层的行为至关重要。它可以是平滑有序的(层流),也可以是混乱不规则的(湍流)。湍流边界层具有更大的能量,更不容易与表面分离,但它也会产生更大的表面摩擦阻力。流动分离,即边界层与表面分离,通常是由于逆压梯度引起的,并导致压力阻力大幅增加,而压力阻力是另一个主要阻力组成部分。了解和控制边界层是气动设计的中心目标。

UNESCO Nomenclature: 2210
- 机械

类型

抽象系统

中断

革命

使用方法

广泛使用

前体

  • 描述粘性流动的纳维-斯托克斯方程
  • 达朗贝尔悖论凸显了不粘性理论与现实之间的差异
  • 流体阻力和阻力的实验观察

应用

  • 流线型车身设计,如飞机机翼和汽车车身,以减少阻力
  • 发动机和电子冷却中的传热分析
  • 理解和控制流动分离
  • 涡轮和压缩机叶片的设计
  • 开发用于减少阻力的 "鲨鱼皮 "表面

专利:

NA

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