层流边界层的奥秘：特征与CFD学习指南

关键要点

• 比较和对比层流和湍流。
• 深入研究层流边界层的特性。
• 重点关注层流边界层的热力学。

足够慢地打开水槽水龙头头，您可能会看到一些有趣的东西。在低流速下，水以易于观察的整体形状流动，但在达到一定流速后，这种形状就会变成混乱、不透明的激流。流速有影响，但推动变化的底层结构是什么？答案是流动可以分为层流或湍流，并且每一种都与某些特性相关联。

对于外行人来说，“动荡”是一个人们可能有一些经验的术语，即使他们不了解这种现象的细节。两者之间的主要区别归结为边界层——与固体相邻的一段流体，其大小和功能可能因流体和固体而异。层流边界层的特征因其结构化性质和它们提供的性能优势而特别值得注意。

描述层流边界层的特征

当流体流过固体时，会建立一个边界层，其中流体粒子相对于表面的速度为零。由于流体和固体之间的粘附力克服了液体颗粒之间的内聚力，因此存在这种称为无滑移条件的特性。边界层的存在可以产生具有低雷诺数（惯性力与粘性力之比）的粘性层连续体，其粘性随距边界层的距离成比例增加。这是层流的情况，由于类似表面水平阻力的减少，层流通常被视为与密切相关的湍流相比更可取的状态。

虽然表现良好的层流相对不稳定 - 如果距离流体经过浸没固体的点有足够的距离 - 层流让位于湍流。称为边界层控制的流体动力学的一个子集涉及设计技术以最大化流动过渡之前的距离。通常，实体的最厚点应尽可能远离边界层的初始点，以降低雷诺数以获得尽可能长的距离。

什么是层流边界层属性？

层流的力学是由于粘性层的有序行为而产生的。如前所述，粘度在远离边界层表面的地方呈线性增加，这可以分成一系列无穷小的层。在这种启发式方法中，层仅在相邻层上滑动——流体在垂直于表面的方向上没有运动。平行于表面行进，层流演变成湍流的临界距离总是存在的，但设计可以有效地控制发生这种情况的位置。

除了其行为之外，层流还具有其他特性，使其远优于湍流条件：

• 速度——在任何一种情况下，速度都会随着远离表面而增加，但随着层流的增加，速度会逐渐增加。由于速度与剪切应力相关，湍流会经历剪切应力的尖锐峰值，这种尖峰具有破坏性并容易导致疲劳。
• 粘度 -层流被模糊地量化为低雷诺数，但存在更多差异。在层流条件下，较低的雷诺数会导致粘性层流区域的包络围绕固体膨胀，而较高的雷诺数会导致其收缩。该粘性层甚至在湍流区域内的雷诺数下仍保持不变，但它甚至进一步收缩以仅包含边界层。与真空相比，包络内的粘性类似于光在介质中移动：与周围的无粘性流相比，流线被弯曲并偏转到围绕固体的更迂回的路线。

层流边界层的热力学

可以从热力学的角度进一步研究层流。就像所讨论的速度梯度从固体的无滑移条件开始，然后平滑过渡到无粘性区域，温度会逐渐增长或衰减（取决于流体和固体的相对温度）。存在其他相似之处：

• 虽然不可能指出边界层让位于周围流体的确切点，但包络的参数（包括其厚度）在 99% 边界层条件下得到了明确定义。
• 热传递只能发生在边界层的相邻切片之间，这与层内流体的运动非常相似；湍流的传热可以改为垂直于固体的方向直接流动（提高流体与固体之间的热交换能力）。

有几种方法可以计算层流的热包络厚度：

1. 99% 边界层厚度 -为了简化从固体温度到流体温度的渐近方法，该方法远到可以忽略不计受温度的影响，工程解决方案是将未受影响的流体的 99% 温度作为距离边界划定的地方。该方程根据实体的几何形状发生显着变化。
2. 热位移厚度 -不是假设连续的温度梯度，而是假设在离固体一定距离处的温度是逐步变化的。然后可以通过对这些值进行数值积分来构建包络。
3. 矩 -由于层流的温度分布非常接近高斯分布，因此可以使用积分方法对整个范围内的热分布进行建模，而不仅仅是在边界处。

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由于其机械性能，层流边界层的特性在一系列应用中至关重要。Cadence CFD 软件精确模拟层流条件以实现顺畅航行。在确定任何船只的适航性时，为湍流做好准备也是必不可少的，并且可以使用尖端的 Cadence 解决方案快速全面地处理两种流动特性的密切关系。

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