CFD|流体和物体相遇的空间的秘密-边界层

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你去海边把手泡过水吗？把手固定住，感受水流，然后稍微动一下，就会看到水流顺手顺流。但是，如果动作再快一点，手周围就会产生水滴，水开始溅起来。无论物体固定还是移动,在与流体相遇的空间里,都会发生令人惊讶和复杂的事情。这个秘密空间我们称之为"边界层"。

为了进一步了解边界层，以空气和水的流动为例。当我们站在路边时，我们感觉不到，但随着汽车的行驶，我们推着空气前进，周围产生了像小漩涡一样的空气流动。这个漩涡从空气和车身相遇的很薄的一层，即边界层开始。这个边界层不是简单的流动，就像冷天早晨玻璃窗慢慢被紫菜覆盖一样，缓慢而安静地开始，车越快越复杂，越嘈杂。

机翼或跑车，甚至在水上行驶的船舶也受到边界层的影响。科学家和工程师们在研究这一边界层时思考：“如何让物体更容易、更快、更少地在空气或水中运动？”特别是在设计飞机和汽车时，要知道边界层的流动是如何形成的，从什么时候开始变得激烈，从物体表面的什么地方脱落。控制这些现象就是边界层理论的核心。

由于我们周围几乎所有的物体都与空气或水等流体相连，边界层理论实际上是我们日常生活中非常重要的概念。接下来，让我们了解一下什么是边界层，如何以多种流动形式出现，如何通过这种现象更好地理解我们周围的物理世界。

什么是边界层

边界层是指当流体沿着物体表面流动时，在与物体直接接触的薄层中发生的流体的独特流动。例如，当你投出一个刮强风的飞球时，会出现一个复杂的流动现象，当风掠过球的表面时，在靠近表面的地方发生。靠近此表面的区域就是边界层。这种边界层在物体与流体相互作用时起着重要作用，对各种物理现象（如摩擦力）有很大影响。

边界层的形成和结构

当流体经过固定物体表面时，由于与物体表面的摩擦，流体粒子的速度会降低。流体粒子的速度在物体表面接近零，在离表面越远的地方逐渐增加，从而达到流体的主流速度。发生这种速度变化的薄层就是边界层。边界层通常分为两类：

层流边界层：

流体颗粒的运动形式比较规则。层流边界层在流体流动缓慢或粘性较大的流体中容易发生，摩擦力相对较低

湍流边界层：

流体颗粒以不规则和混乱的形式运动，在快速运动或低粘性流体中发生。湍流边界层的摩擦力比层流高，消耗更多的能量。

边界层理论的重要性

边界层理论对于预测流体对物体的作用力至关重要。在汽车或飞机的设计中寻找降低空气阻力的方法时，了解边界层的作用非常重要。由于边界层的厚度和流动形态不同，流体与物体的摩擦力或压力也不同，因此，考虑边界层进行设计，可以引导高效的流体流动。

例如，将汽车表面设计成流线型可以保持边界层的均匀性，减少空气阻力，从而提高燃油效率。对于飞机来说，通过在机翼表面均匀地形成边界层，可以使空气流动稳定，从而提高飞行效率并确保稳定性。

边界层分离现象

边界层理论中的一个重要概念是边界层分离。边界层分离是指流体沿着物体表面流动，边界层从物体表面脱落的现象。这发生在流体压力变化或流动方向急剧变化时，在流速降低和压力升高时容易分离。

发生边界层分离时，物体周围会形成涡流。这种涡流会阻碍流动，产生不稳定的区域，使空气或水无法顺利地通过物体表面。结果物体会受到更大的阻力，需要更多的能量来维持运动。

例如，如果汽车在高速行驶时发生边界层分离，空气阻力可能会增加，从而降低燃油效率。此外，如果机翼发生边界层分离，升力可能会减少，影响飞行稳定性，当物体在水中移动时，水的阻力会增加，速度会降低或需要更多的推力。

边界层分离原因

流动分离主要发生在壁面附近的减速流动中。在主流中，流体的减速主要是由压差力引起的。而在边界层内，除了压差力外，黏性力也起到了重要作用。由于靠近壁面的流体的剪切变形较大，导致边界层内流体微团的下表面黏性力大于上表面。这种黏性力的合力与流动方向相反，导致边界层内的流体减速程度远大于主流。

当主流减速到一定程度时，边界层内的流体已经减速到零。此时，虽然黏性阻力消失，但由于压差阻力的存在，已经静止的流体还会受到反向作用力。这导致流体在下游发生倒流，从而发生流动分离。

主流只在压差力作用下减速，边界层内的流体则在压差力和黏性力的双重作用下减速。

在匀速或加速流动中，不会发生流动分离。这是因为，虽然壁面的黏性力会导致流体减速，但这种摩擦力仅能使运动的流体逐渐减慢，而不会使其反向运动。仅靠黏性力本身永远不会使流动完全停止。事实上，随着流速的降低，黏性力也会减小。在没有压差力参与的情况下，边界层内的流速仅会在下游无限趋近于零，但永远不会真正达到零。

对于沿流向没有压力变化的边界层来说，壁面附近的流体在黏性力作用下不断地减速，但黏性力本身也在不断地在减小，所以流速永远不会减为零