CFD理论|流动边界层

本文摘要（由AI生成）：

边界层理论描述了流体在物理表面附近速度梯度很大的薄层内的流动特性。边界层内粘性力对流动有显著影响，而外边界以外的区域速度梯度较小，粘性影响可忽略。边界层可分为层流、转捩区和湍流边界层，其中湍流边界层又可分为内层（包括粘性底层、过渡层和对数律层）和外层（包括尾迹律层和粘性顶层）。这些层次受粘性切应力和湍流附加切应力的影响不同，流动状态各异。

导读：介绍流动边界层。

边界层理论

流动中绕物理表面速度梯度很大的薄层称为边界层，边界层内的速度梯度很大，也就是意味着粘性力对流动有影响作用，而在边界层以外的广大区域速度梯度很小，粘性的影响可以忽略。

边界层特征

既然有边界层，那么边界层与外流动区域就应该有界限。通常将各个截面上速度恢复到0.99倍的主流速度的所有流体质点的连线定义为边界层外边界。

把外边界到物面的垂直距离定义为名义边界层厚度。

伴随着流动的发展，边界层又可以分为层流边界层，转捩区（过渡区），湍流边界层。在大部分的工程问题中可以忽略转捩的影响，考虑的是湍流边界层。

边界层分层

在湍流边界层中，流体会同时受到粘性切应力和湍流附加切应力。以y表示离开壁面的距离，随着y增加，粘性切应力的影响逐渐较小，而且湍流附加切应力的影响开始增大，而后逐渐减小。

由于具有速度的量纲，故称为壁面切应力速度，它是湍流中的一个重要特征速度，可以用于各层的划分。

粘性底层：所在厚度约为 ，粘性切应力起主要作用，湍流附加切应力可以忽略，流动接近层流状态，层内有微小漩涡及湍流猝发起源的现象。

过渡层：所在厚度为，粘性切应力和湍流附加切应力为同一数量级，流动状态极其复杂，由于厚度不大，在工程计算中，有时将其并入对数律层的区域中。

尾迹律层：所在厚度为，层内流动受到的湍流附加切应力远远大于粘性切应力，流动处于完全湍流状态，但与对数律相比，湍流强度已明显减弱；

粘性底层：所在厚度为，由于湍流的随机性和不稳定性，外部非湍流流体不断进入边界层内发生掺混，使湍流强度限制减弱，同时边界层内对的湍流流体也不断进入邻近的非湍流区。