基本簡介
理想流體力學在早期較成功地解決了與粘性關係不大的一系列流動問題,諸如繞流物體的升力、波動等問題,但對繞流物體阻力、渦的擴散等問題,理想流體力學的解與實際相差甚遠,且甚至得出完全相反的結論,圓柱繞流無阻力的D’Alembert疑題就是一個典型的例子。(D’Alembert,法國力學家,1717-1783)
那么,如何考慮流體的粘性,怎樣解決擾流物體的阻力問題,這在當時確實是一個阻礙流體力學發展的難題,直到1904年國際流體力學大師德國學者L.Prandtl通過大量實驗發現:雖然整體流動的Re數很大,但在靠近物面的薄層流體內,流場的特徵與理想流動相差甚遠,沿著法向存在很大的速度梯度,粘性力無法忽略。Prandtl把這一物面近區粘性力起重要作用的薄層稱為邊界層(Boundarylayer)
普朗特的邊界層思想認為,在雷諾數遠大於1的流動中,流場在遠離物面的大部分區域內,黏性可以忽略不計,而在固壁表面附近的薄層內黏性起著重要的作用。在這一薄層內,流動從外部無黏流速度迅速過渡到壁面無滑移速度,這一層就被稱為邊界層。
普朗特假設,整個流場可以分開成兩部分處理:在外區是無黏流動問題,在內區是邊界層內的粘性流動,並且求解邊界層流動時把無黏外流的解作為邊界層外緣的已知邊界條件。從而大大簡化問題。
對整個流場提出的基本分區是:
(1)整個流動區域可分成理想流體的流動區域(勢流或位流區)和粘性流體的流動區域(粘流區)。
(2)在遠離物體的理想流體流動區域,可忽略粘性的影響,按位勢流理論處理。
(3)在靠近物面的薄層內粘性力的作用不能忽略,該薄層稱為邊界層。邊界層內粘性力與慣性力同量級,流體質點作有旋運動。
邊界層理論解決了因黏性而產生阻力的問題,意義相當重大!
邊界層思想的思路是從物理現象得到啟發,想法化簡複雜的N-S方程。