什么是边界层?

[拼音]：bianjieceng

[外文]：boundary layer

高雷诺数流动时紧贴在物体壁面的很薄的粘性流体层，又称为附面层。在边界层外，作用在流体微团上的粘性力可以忽略，为无粘性流动。边界层这一概念是1904年德国流体力学家L.普朗特首先提出的，边界层的概念对于简化飞行器绕流的理论分析有重大作用。当空气绕过静止的飞行器时，空气的粘性使壁面上的流动受到阻滞，在邻近于壁面很薄的边界层内，流动速度从壁面处为零逐渐增大到边界层外边界上的无粘流速度值。这种以层内流动速度变化的情况定义的边界层，称为速度边界层。边界层厚度一般随离物体前缘的距离x而增大，用δ(x)表示(图1 )。在边界层内，法向速度梯度很大，层内粘性力不能忽略，只有在层外的流动才可忽略粘性力的作用。

飞行器绕流的雷诺数通常很大，边界层很薄，因而在分析飞行器小迎角无分离绕流时，可以先不考虑边界层的存在，而用无粘流理论计算表面压强分布和速度分布，然后用求出的表面速度作为边界层外边界上的主流速度进行粘性边界层计算，找出表面摩擦阻力等各种参数。边界层的存在相当于改变了飞行器的外形，影响了边界层外的无粘性流动。用这种粘性边界层与无粘性外流计算的相互迭代，可使计算越加精确。因此，无粘流理论和边界层理论成为空气动力计算的两个独立的分支，得到广泛的应用。

层内流体微团运动轨迹有条不紊，流体动量通过分子的随机运动进行交换，规模较小，因而层流边界层的速度分布较为陡峭(图1)，壁面摩擦应力较小。

层内流动紊乱，每一点的流速围绕某一平均值而急剧脉动并随机变化，流体动量则通过流体微团的随机运动进行交换，因而具有较大的扩散性，使近壁低能量流体得到远壁高能量流体的动能补充，平均速度分布比较饱满(图1 )，壁面摩擦应力较大。湍流边界层还有凹凸不平而随机游动的边界，主流由此不断卷入层内，瞬时边界的最凹与最凸处分别在平均边界内外0.4和1.2倍边界层厚度处。以绕翼型流动的边界层来看，翼表面有转捩点，转捩点前为层流，之后转变为湍流，转捩点位置与雷诺数、大气湍流度、表面粗糙度等因素有关。飞机表面采取的各种光滑措施和层流翼型的设计，就是为了延迟转捩，使表面上保持较大部分为层流边界层，以便减小摩擦阻力，提高飞行速度和节省燃油。许多工程技术问题，特别是高速飞行器绕流问题，与湍流边界层有关，因此，对湍流边界层的研究具有重要的意义。

高速气流绕物体流动时，壁面附近气流粘性阻滞把大量气流动能转化为热能，形成紧贴壁面的温度分布不均匀的薄气体层。气体的普朗特数（表示粘性与热传导相对大小的相似参数）接近于1，因而温度边界层的厚度近似地等于速度边界层的厚度。层内温度分布决定于壁面传热条件，有冷壁、热壁和绝热壁3种不同情况(图2)。

层流边界层的传热系数和恢复系数都比湍流边界层的相应值小，所以飞行器的空气动力加热和蒙皮平衡温度（飞行器在巡航状态下的壁面温度）在层流时的数值也比较小。

流体粘性阻滞使层内近壁流体沿流动方向不断减速，在一定的逆压梯度（即压强沿流动方向增大）下，外部流动仍继续保持原来方向，但近壁流体则逐渐减速到零，进一步形成倒流，使流动脱离壁面(图3)。湍流边界层的近壁流体动能比层流大，因而具有较强的抗分离能力。边界层分离使物体所受的压差阻力增大，机翼升力下降，使涡轮和螺旋桨的效率降低。飞机上各种增升装置，如前、后缘襟翼和边界层吹吸等，都是为了控制边界层分离以求改善飞机起飞、着陆等大迎角飞行时的性能。飞机以小迎角进行跨音速和超音速飞行时，随着M数增大，翼面上激波与边界层相互干扰增强到一定程度，也会使边界层分离，使翼面上空气动力随时间强烈振荡，引起飞机抖振、操纵面嗡鸣等现象，从而限制飞机巡航速度的提高，降低飞机的机动性能，因此边界层分离的实验与理论计算一直是人们关注的重要课题。

参考书目

H.Schlichting， Boundary Layer Theory，7th ed.，McGraw-Hill，New York，1979.T.Cebeci & A.M.O.Smith， Analysis of Turbulent Boundary Layer， Academic Press，New York，1974.