CFD学习：层流边界层

关键要点

• 湍流边界层和层流边界层之间的区别。 

• 层流流体的特点是什么？

• 如何用层流分析边界。

层流边界层与湍流边界流层的比较

由于所有物质都是由原子粒子组成的，因此量子力学的原理支配着所有运动。海森堡测不准原理是量子力学的一个重要基础，它断言任何物理系统的准确数据水平都是有限的。换句话说，系统状态总是有一些未知的方面是无法知道的，因此无法在原子级别直接控制。 

幸运的是，在处理经典物理学级别的物体时，这一重要原理的影响通常可以忽略不计。然而，可控性的概念通常适用于处理空气动力流体流动等物理现象。最好的系统设计是基于对自然发生的理想层流边界层和混沌湍流边界层之间差异的透彻理解。 

湍流边界层与层流边界层的区别

就它们对飞机飞行的影响而言，湍流和层流边界层可以被认为是相反的。层流是更可取的，因为它有助于稳定和平稳的飞行，而湍流会导致飞行颠簸，并且会由于增加的阻力（主要空气动力之一）而威胁飞机保持其航向和高度的能力。从图形的角度来看，这种差异非常明显，如下所示。

层流与湍流剖面。图片来自Bronkhorst。

如上所示，湍流边界层与层流边界层的流体活动之间存在显着差异。这种变化的一个迹象是雷诺数，当该层表现出湍流时雷诺数高于 3000，而对于层流通常低于 2300。如下所述，还有其他重要特征表明流动是层流的。

层流的特性

无量纲雷诺数是边界层中存在的流体流动类型的重要指标，是层流边界层流动的显着属性之一，如下所列。 

层流流体流动边界层属性

⇶ 分层流动

层流的特点是独特而独立的层，它们滑过但又

不跨越水平相邻层。

⇶ 平行流线

在对曲面建模时（例如用于 CFD 分析），通常描述流体流动 

就流线而言，它们是指示流动方向的假想线。对于层流，这些线彼此平行。

⇶ 动量对流低

对于水平层流气流，几乎没有动量对流或垂直 

动量通量的运动，防止层的混合。

⇶ 高扩散动量

层流流体在流动方向上的动量分布或扩散很高

流动。这种扩散可能是由剪切应力或压力引起的。

⇶ 低速

低雷诺数对应于较低的速度，这是 

层流。较高的雷诺数表明速度和趋势增加 

湍流。  

虽然层流流体流动对于平稳飞行是最佳的，但层流边界层不稳定并且随着气流远离飞机表面的前缘而分解。随后，流动过渡到湍流状态，这需要进行湍流和层流边界层分析以优化系统设计。

分析具有层流和湍流的边界

空气动力学边界层分析需要以下内容：

• 表面形状的精确建模

• 纳入所有相关流体参数

• 了解飞行环境条件

• 了解影响飞行的力量

• 了解层流和湍流特性

• 能够模拟各种飞行方向（例如不同的迎角）

对于包括精确层流边界层评估的最佳系统设计，上述内容必须包含在您采用的解决方案技术中。这最好通过使用包括多个网格生成和快速计算功能的高级 CFD 求解器工具来实现，如 Cadence CFD 工具套件中所包含的那样。