资料来源:何塞·罗伯托·莫尔托、海梅·多拉多和刘晓峰,圣地亚哥州立大学航空航天工程系,加利福尼亚州圣地亚哥
边界图层是紧邻浸没在流场中的实体表面的细流区域。在此区域,粘性效应(如粘性剪切应力)占主导地位,并且由于流体和固体表面之间的摩擦影响而延迟流动。在边界层之外,流动是无微热的,即没有摩擦、热传导或质量扩散引起的消散效应。
边界层概念由路德维希·普朗特尔于 1904 年引入,它显著简化了 Navier-Stokes (NS) 方程,用于处理固体上的流量。在边界层内,NS方程被简化为边界层方程,而在边界层之外,可以通过Euler方程来描述流,欧拉方程是NS方程的简化版本。
图 1.在平板上的边界层发展。
边界层开发最简单的情况发生在零入射角的平板上。在考虑平板上的边界层开发时,边界层外的速度是恒定的,因此沿墙的压力梯度被认为是零。
边界层在实体表面自然发展,通常经历以下阶段:第一,层边界层状态;第二,过渡状态,第三,湍流边界层状态。每个状态都有自己的定律,描述边界层的流动结构。
边界层的开发和结构研究对理论研究和实践应用都具有重要意义。例如,边界层理论是计算船舶、飞机和涡轮发动机叶片上皮肤摩擦阻力的基础。皮肤摩擦阻力是在边界层内的车身表面产生的,是由于直接接触的流体颗粒对表面施加的粘性剪切应力。皮肤摩擦与表面正常方向的流体粘度和局部速度梯度成正比。皮肤摩擦阻力存在于整个表面上,因此在大面积区域(如飞机机翼)上变得显著。此外,湍流流动会产生更多的皮肤摩擦阻力。宏观湍流流体运动通过将具有高动量的流体颗粒带到表面,增强边界层内的动量传递。
本演示侧重于平板上的湍流边界层,其中流动不规则,如混合或涡流,波动叠加在均流上。因此,湍流边界层中任意点的速度都是时间的函数。在本演示中,将使用恒温热线测量(CTA)进行边界层测量。然后,使用克劳瑟图法计算湍流边界层的皮肤摩擦系数。
1. 热线系统动态响应确定
此过程的目的是了解测能仪系统对流量信号变化的响应速度。通过应用方波来测量信号打开和关闭时的频率响应,可以衡量此功能。
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