[科普中国]-速度边界层

定义

当具有粘性且能润湿壁面的流体，经过壁面时由于粘滞力的作用，壁面附近的流体流速下降，直接贴附于壁面的流体静止不动，这样的一个薄层称为流动边界层。

由物面向外，流体速度迅速增大至当地自由流速度，即对应于理想绕流的速度，温度边界层一般与来流速度同量级。因而边界层内速度的法向垂直表面的方向梯度很大，即使流体粘度不大，如空气、水等，粘性力相对于惯性力仍然很大，起着显著作用，因而属粘性流动。而在边界层外，速度梯度很小，粘性力可以忽略，流动可视为无粘或理想流动。在高雷诺数下，边界层很薄，其厚度远小于沿流动方向的长度，根据尺度和速度变化率的量级比较，可将纳维-斯托克斯方程简化为边界层方程。求解高雷诺数绕流问题时，可把流动分为边界层内的粘性流动和边界层外的理想流动两部分，分别迭代求解。边界层有层流、湍流、混合流 ，低速（不可压缩）、高速（可压缩）以及二维、三维之分。

速度边界层是边界层理论的一个分支，边界层理论还包含了温度边界层和浓度边界层。本文主要介绍速度边界层。

平板速度边界层

图1为一速度为的强制对流流体在平板垂直上方与平板平面平行的方向流过一平板。x和y分别代表流体的扩散距离和平板上方的垂直距离。由于摩擦作用，在板面处有一层不动的液膜，它的速度。由于流体的粘滞作用，在靠近板面处存在一个速度逐渐降低的区域，这个区域即为速度边界层，它的厚度定义为速度为99%的流体层距离平板平面的垂直具体。显然速度边界层的厚度随流体在平板上扩散距离增加而增加，图1中扩散距离处的速度边界层厚度大于扩散距离处的速度边界层厚度。曲线或随坐标轴x和y的变化示于图2中。