边界层理论+物理tag更新

Author: Guiny-Time

source/_posts/2022诺贝尔物理学奖成果介绍.md

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 tags: ['物理','量子力学','量子纠缠','翻译']
 title: 2022诺贝尔物理奖成果介绍
 date: '2022-10-04 18:06:01'
-categories: '物理'
+categories: '物理学'
 cover: https://tvax2.sinaimg.cn/large/006UcwnJly1h6tfp7uotxj30xc0p0wxc.jpg
 copyright_author: 'nobelprize'
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source/_posts/边界层理论.md

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+tags: tags: ['边界层理论','流体力学','物理学','科普组第8小组']
+title: 边界层理论
+date: '2023-02-12 14:02:06'
+categories: '物理学'
+cover: https://yanxuan.nosdn.127.net/77aeae32b739e6d54dcdb3f1b6906f0c.png
+copyright_author: '锅炉-251'
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+> 作者：锅炉-251
+审核：水管工
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+# 边界层理论的提出
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+  “边界层理论”的概念最早可以追溯到十九世纪时的流体力学。当时的理论流体力学从无粘不可压缩的欧拉方程进行推导，由于忽视粘性影响导致理论与实验结果存在明显的矛盾，难以解释管路压将等问题。在当时其实已经提出了有摩擦的 纳维斯托克斯方程 ，但受限于数学水平无法求解方程，故理论与实际一直存在巨大误差。最后从实际出发发展出了 水力学 ，通过实验数据避开了理论分析。
+
+  在此基础上，普朗特 (Ludwig Prandtl) 提出了 边界层 的概念，在海德尔堡第三届国际数学家大会上发表了 “关于摩擦极小的流体运动” 一文。在该论文中，普朗特提出绕固体流动的流体可分为两个区域：
+
+1. 在物体表面很薄的一层，在其中粘性力起着重要作用
+2. 在该层外的主流区域，此处的摩擦可以忽略不记
+
+  “边界层”这一理论的提出，极大的化简了理论求解动量方程。
+
+<img src="https://yanxuan.nosdn.127.net/92b1cdb053e1eaa5fe2127c914616ddb.png" alt="image.png" title="image.png" />
+<center><font size=2px color=grey>路德维格·普朗特</font></center>
+
+&emsp;&emsp;后来，在实验中科学家们发现，边界层具有以下特点：
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+1. 与物体特征长度相比，边界层厚度远小于特征长度；
+2. 边界层内存在很大的速度梯度；
+3. 边界层厚度随流动方向增加；
+4. 边界层各截面压强等同于主流上的压强；
+5. 边界层内粘性力与惯性力位于同一量级；
+6. 边界层有层流和紊流两种状态；
+
+# 边界层方程组
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+&emsp;&emsp;我们首先考虑二维定常不可压缩流动，规定沿流动方向为x轴，垂直壁面方向为y轴。
+
+&emsp;&emsp;我们可以得到连续方程：
+$$\frac{\partial u}{\partial x} = \frac{\partial v}{\partial y}$$
+
+&emsp;&emsp;动量方程：
+$$u \frac{\partial u}{\partial x} + v\frac{\partial u}{\partial y} = U\frac{dU}{dx} + \gamma \frac{\partial ^{2}u}{\partial y^{2}}$$
+
+&emsp;&emsp;边界条件：
+$$y=0, u=v=0$$
+$$y=\infty,u=U(x)$$
+
+&emsp;&emsp;在经过边界层化简后，方程仍含有非线性项，在1907布拉修斯通过方程化简得到了著名的布拉修斯方程：
+$$f^{'''} + \frac{1}{2} ff^{''} = 0$$
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+&emsp;&emsp;1921年，冯·卡门提出了边界层动能积分方程以计算边界层问题，通过上述方法我们能对边界层方程进行求解。
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+<img src="https://yanxuan.nosdn.127.net/9411dc9ab4fad25c6fc1734a7c7dd596.png" alt="image.png" title="image.png" />
+<center><font size=2px color=grey>边界层</font></center>
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+# 分离和转捩
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+&emsp;&emsp;“分离” 指的是 **边界层出现脱离表面并回流** 的现象。壁面对边界层的 **粘性力** 和与流动方向相反的 **压差阻力** 使得在物体某处的边界层发生分离，形成回流区，导致很大的能量耗散。这种分离有一些典型的例子，例如绕流过圆柱、圆球等钝头物体后的流动；角度大的锥形扩散管内的流动等等。当层流边界层在到达分离点前已转变为湍流时，由于湍流的强烈混合效应，分离点会后移。这样虽然增大了摩擦阻力，但压差阻力大为降低，从而减少能量损失。
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+&emsp;&emsp;“转捩” 指的是 **边界层内的流动状态发生变化** ，在低雷诺数时是 **层流** ，在高雷诺数时是 **紊流** 。当粘性流体绕流物体时，在物体前缘附近的是层流。随着离前缘的距离的不断增加，雷诺数也逐渐加大，层流边界层流动随雷诺数增加会出现不稳定现象。流体中不可避免地存在着扰动，使层流发生变化，向紊流过渡，最终完全变成了紊流。层流向紊流的过渡称为转捩。
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