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空气动力学之“逆压梯度和流动分离”

日期:2021-11-02 15:20:32 

如果外流因为流动方向上压强的降低而加速(伯努利方程),则在边界层中流体质点也会在流动方向上加速。因此,整个边界层中流动都沿着壁面保持同一个方向。


如果压强沿着流动的方向增加,这会产生一种逆压梯度。外流被减速,边界层中流动缓慢的流体质点流动的更加缓慢。如果这一减速足够大,流动就会从壁面分离而出现回流区。如图:


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分离过程(最大速度点M,分离点A)

上图即为一种由于逆压梯度存在而展现的一种流动分离过程。分离会发展成为漩涡。在分离位置A附近,边界层厚度大大增加,此点的壁面剪切力为0。
有关逆压梯度的一点理解:


以下是上海(交通)大学解释“边界层分离的物理原因”的课件网页,摘录如下:

“……在顺压梯度区壁面附近的流体元将受到压力的推动前进;在零压强梯度区流体微团靠自身的动能克服粘性阻力前进;在逆压梯度区流体元受到逆压和粘性力双重阻力逐渐减速,至S点时动能耗尽,速度为零。……”

粘性阻力很容易理解,而此处所说由逆压梯度(定义是dp/dx>0)引起的阻力则较为费解。其逻辑似乎是:逆压梯度加快了流动分离,但是对逆压梯度的成因却并未解释。从各类资料的图示中不难观察到如下规律:逆压梯度区间总是出现在“下坡的”曲面段。因此似乎可以认为:压力梯度的出现是由曲面决定的。
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在这里我想提出有关逆压梯度的另一种解释,如下图所示:在空间内想象一个由曲面和一个边界(脑补)构成的文丘利管。根据连续性方程,流体(沿x轴方向)在区间一不断被加速,在区间二速度保持不变,在区间三逐渐减速。又由于伯努力方程,区间一沿x轴正方向压力(静压)逐渐减小,即dp/dx<0,而在区间二dp/dx=0,在区间三dp/dx>0。
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这种解释的逻辑是:根据伯努力方程,流体加速或减速和压力梯度的正负是同一件事情,而这两个现象都是由物体表面的曲面走势决定的,根据连续性方程。因此我也认为,逆压梯度表明流体正在减速,但并不意味着逆压梯度和流体减速是某种因果关系。
另外,如果流体流经管道的转角,则在弯曲部分垂直于流动方向上会出现压强的增高,于是边界处的速度下降引起流动的分离并引发漩涡,如图:
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类似的,气流流经房屋,河水流过柱子均会发生流动分离现象。

在工程上,为了减少能量损失,在压强升高的情况下,必须减少流动分离现象的产生。一种解决办法是使管口缓慢的变大,或者设计物体的形状足够细长。

另外的解决方法有,例如切向喷吹,如下图:
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以及导流片:
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