郝建秀

[拼音]：bianjieceng

[英文]：boundary layer

高雷諾數流動時緊貼在物體壁面的很薄的粘性流體層，又稱為附面層。在邊界層外，作用在流體微團上的粘性力可以忽略，為無粘性流動。邊界層這一概念是1904年德國流體力學家L.普朗特首先提出的，邊界層的概念對於簡化飛行器繞流的理論分析有重大作用。當空氣繞過靜止的飛行器時，空氣的粘性使壁面上的流動受到阻滯，在鄰近於壁面很薄的邊界層內，流動速度從壁面處為零逐漸增大到邊界層外邊界上的無粘流速度值。這種以層內流動速度變化的情況定義的邊界層，稱為速度邊界層。邊界層厚度一般隨離物體前緣的距離x而增大，用δ(x)表示(圖1 )。在邊界層內，法向速度梯度很大，層內粘性力不能忽略，只有在層外的流動才可忽略粘性力的作用。

飛行器繞流的雷諾數通常很大，邊界層很薄，因而在分析飛行器小迎角無分離繞流時，可以先不考慮邊界層的存在，而用無粘流理論計算表面壓強分佈和速度分佈，然後用求出的表面速度作為邊界層外邊界上的主流速度進行粘性邊界層計算，找出表面摩擦阻力等各種引數。邊界層的存在相當於改變了飛行器的外形，影響了邊界層外的無粘性流動。用這種粘性邊界層與無粘性外流計算的相互迭代，可使計算越加精確。因此，無粘流理論和邊界層理論成為空氣動力計算的兩個獨立的分支，得到廣泛的應用。

層流邊界層

層內流體微團運動軌跡有條不紊，流體動量通過分子的隨機運動進行交換，規模較小，因而層流邊界層的速度分佈較為陡峭(圖1)，壁面摩擦應力較小。

湍流邊界層

層內流動紊亂，每一點的流速圍繞某一平均值而急劇脈動並隨機變化，流體動量則通過流體微團的隨機運動進行交換，因而具有較大的擴散性，使近壁低能量流體得到遠壁高能量流體的動能補充，平均速度分佈比較飽滿(圖1 )，壁面摩擦應力較大。湍流邊界層還有凹凸不平而隨機遊動的邊界，主流由此不斷捲入層內，瞬時邊界的最凹與最凸處分別在平均邊界內外0.4和1.2倍邊界層厚度處。以繞翼型流動的邊界層來看，翼表面有轉捩點，轉捩點前為層流，之後轉變為湍流，轉捩點位置與雷諾數、大氣湍流度、表面粗糙度等因素有關。飛機表面採取的各種光滑措施和層流翼型的設計，就是為了延遲轉捩，使表面上保持較大部分為層流邊界層，以便減小摩擦阻力，提高飛行速度和節省燃油。許多工程技術問題，特別是高速飛行器繞流問題，與湍流邊界層有關，因此，對湍流邊界層的研究具有重要的意義。

溫度邊界層

高速氣流繞物體流動時，壁面附近氣流粘性阻滯把大量氣流動能轉化為熱能，形成緊貼壁面的溫度分佈不均勻的薄氣體層。氣體的普朗特數（表示粘性與熱傳導相對大小的相似引數）接近於1，因而溫度邊界層的厚度近似地等於速度邊界層的厚度。層內溫度分佈決定於壁面傳熱條件，有冷壁、熱壁和絕熱壁3種不同情況(圖2)。

層流邊界層的傳熱係數和恢復係數都比湍流邊界層的相應值小，所以飛行器的空氣動力加熱和蒙皮平衡溫度（飛行器在巡航狀態下的壁面溫度）在層流時的數值也比較小。

邊界層分離

流體粘性阻滯使層內近壁流體沿流動方向不斷減速，在一定的逆壓梯度（即壓強沿流動方向增大）下，外部流動仍繼續保持原來方向，但近壁流體則逐漸減速到零，進一步形成倒流，使流動脫離壁面(圖3)。湍流邊界層的近壁流體動能比層流大，因而具有較強的抗分離能力。邊界層分離使物體所受的壓差阻力增大，機翼升力下降，使渦輪和螺旋槳的效率降低。飛機上各種增升裝置，如前、後緣襟翼和邊界層吹吸等，都是為了控制邊界層分離以求改善飛機起飛、著陸等大迎角飛行時的效能。飛機以小迎角進行跨音速和超音速飛行時，隨著M數增大，翼面上激波與邊界層相互干擾增強到一定程度，也會使邊界層分離，使翼面上空氣動力隨時間強烈振盪，引起飛機抖振、操縱面嗡鳴等現象，從而限制飛機巡航速度的提高，降低飛機的機動效能，因此邊界層分離的實驗與理論計算一直是人們關注的重要課題。