CƠ LƯU CHẤT LỚP BIÊN

CƠ LƯU CHẤT LỚP BIÊNCƠ LƯU CHẤT LỚP BIÊNCƠ LƯU CHẤT LỚP BIÊNCƠ LƯU CHẤT LỚP BIÊNCƠ LƯU CHẤT LỚP BIÊNCƠ LƯU CHẤT LỚP BIÊNCƠ LƯU CHẤT LỚP BIÊNCƠ LƯU CHẤT LỚP BIÊNCƠ LƯU CHẤT LỚP BIÊNCƠ LƯU CHẤT LỚP BIÊNCƠ LƯU CHẤT LỚP BIÊN

Flow past immersed

body

Dòng chuyển động qua cố thể

-Lý thuyết lớp biên

- Lực cản

Lý thuyết lớp biên

1 Tổng quan về dòng chuyển động qua cố thể (external

flow)

2 Giới thiệu các phương pháp nghiên cứu dòng ngoại lưu

3 Phương pháp động lượng tính gần đúng lớp biên của

Karman

4 Lý thuyết lớp biên Prandtl

Dòng chuyển động có ma sát trong ống: lớp biên được hình thành

từ thành ống, phát triển dọc theo chiều dài của ống, rồi hòa vào nhau thành một, và lớp biên chiếm toàn bộ không gian của ống Đối với

dòng chuyển động trong ống, ảnh hưởng của lực ma sát là chủ đạo.

Dòng chuyển động bao quanh cố thể:

- Ảnh hưởng của lực ma sát (tính nhớt) quan trọng gần bề mặt

cổ thể và trong vùng hậu lưu của cố thể lý thuyết lớp biên

- Ảnh hưởng của lực ma sát không đáng kể ở vùng không gian rất xa

bề mặt cố thể dòng không ma sát (inviscid flow)

Một số vấn đề thực tiễn về dòng chuyển động ngoại lưu:

- Khí động lực học (aerodynamics): máy bay, tên lửa

- Thủy động lực học (hydrodynamics): tàu thuyền, tàu ngầm

- Giao thông (transportation) : xe hơi, xe tải…

- Năng lượng gió (wind engineering): nhà cao tầng, cầu đường, turbine gió…

Tổng quan về chuyển động ngoại lưu

Dòng chuyển động qua cố thể - Lớp biên là gì?

Khi cố thể được đặt trong một dòng chuyển động đều, một lớp biên mỏng hình thành sát bề mặt Do tính nhớt, phân bố vận tốc trong lớp biên không còn đều như của dòng tự do i.e biến thiên vận tốc trong lớp biên lớn

Ngoài ra, khi dòng chuyển động tách ra khỏi bề mặt cố thể hình

thành vết hậu lưu với những cấu trúc xoáy

b: điểm dừng

c: điểm tách rời lớp

biên

Hiện tượng tách rời

lớp biên

Boundary Layer

Separation

 Flow control

Phương pháp nghiên cứu dòng qua

cố thể

Phương pháp tính toán số CFD: nhờ vào sự phát triển của máy tính, bộ vi xử lý và bộ nhớ, nhiều mô hình tính toán được thiết lập Đây là phương pháp phổ biến hiện nay

Phương pháp thực nghiệm: là phương pháp phổ biến

nhất trong nghiên cứu chuyển động ngoại lưu thông qua

phương pháp phân tích thứ nguyên

 Phương pháp giải tích – lý thuyết lớp biên của

Prandtl (1904): Ứng dụng phương trình Navier-Stokes cho lớp biên, dùng phép đơn giản hóa các biến số không quan

trọng để đưa ra những hệ phương trình giải được và phù hợp với vùng không gian không nhớt bên ngoài

Phương pháp tích phân động lượng tính gần đúng lớp

biên của Karman (1921)

Áp dụng phương trình động lượng cho

thể tích kiểm soát

giới hạn lưu chất giữa

hai đường dòng trong vùng lớp biên

1 Từ (0,0) đến (0,h): vận tốc đều U0 đầu vào

2 Từ (0,h) đến (L,δ):

vận tốc tiếp tuyến với đường dòng 

1 Từ (L,δ) đến (0,L): vận tốc u(y) đầu ra

Phương pháp tích phân động lượng tính gần đúng lớp

biên của Karman (1921)

Giả thiết áp suất trên tấm phẳng là hằng số (p=pa)  không có lực

áp suất, lực tác dụng trên tấm phẳng chỉ do

ma sát nhớt với bề mặt

Phương trình động lượng trên phương x

Phương pháp tích phân động lượng tính gần đúng lớp

biên của Karman (1921)

Xác định h Phương trình liên tục:

Phương pháp tích phân động lượng tính gần đúng lớp

biên của Karman (1921)

Phương pháp tích phân động lượng tính gần đúng lớp

biên của Karman (1921)

Chuyển động tầng, phân bố

vận tốc theo parabol:

Từ phân bố vận tốc, xác định bề dày động lượng θ:

Và theo định luật Newton:

Thay vào phương trình:

Phương pháp tích phân động lượng tính gần đúng lớp

biên của Karman (1921)

Chiều dày lớp biên tầng, với

Pt động lượng cho phương x

Pt động lượng cho phương y

Lớp biên trên tấm

phẳng, chuyển động tầng, Re rất nhỏ δ≈L

Lớp biên trên tấm

phẳng, chuyển động rối,

Re lớn δ<<L

Phương trình lớp biên Prandtl

Nếu số Reynolds rất lớn bề dày lớp biên là rất mỏng, Prandtl đề nghị các phép xấp xỉ đơn giản hóa như sau:

Pt động lượng cho phương y:

áp suất không thay đổi trên

phương y, chỉ thay đổi theo

chiều dài x

Pt Bernoulli viết cho vị trí

ngoài cùng của lớp biên

Phương trình lớp biên Prandtl

Giải phương trình Prandtl cho lớp biên

trên tấm phẳng

- Lớp biên phát triển dọc theo chiều dài tấm phẳng bề dày lớp biên tăng dần δ(x)

-Ban đầu lớp biên ở trạng thái tầng, bắt đầu từ x=0

- Tại một khoảng cách xcr (tương ứng với Recr), lớp biên thay đổi trạng thái từ tầng sang rối

- Ngoài vùng lớp biên là dòng đều tự do không có ảnh hưởng của tính nhớt i.e phân bố vận tốc đều

Giải phương trình Prandtl cho lớp biên

Giải phương trình Prandtl cho lớp biên

trên tấm phẳng

Trạng thái chuyển tiếp từ tầng sang rối trên tấm

Giải phương trình Prandtl cho lớp biên trên tấm phẳng  lời

giải Blasius (chuyển động tầng) (1908)

Blasius đã chứng minh sự phụ thuộc của vận tốc vô thứ nguyên u/U

trong lớp biên chỉ phụ thuộc vào một biến số kết hợp η như sau:

Thay phân bố vận tốc vào

phương trình lớp biên Prandtl:

Với điều kiện biên:

Theo lời giải Balsius:

Giải phương trình Prandtl cho lớp biên trên tấm phẳng  lời

giải Blasius (chuyển động tầng) (1908)

Giải phương trình Prandtl cho lớp biên trên tấm phẳng  lời

giải Blasius (chuyển động tầng) (1908)

Và theo định luật Newton:

x

c

U

τ ρ

Giải phương trình Prandtl cho lớp biên trên tấm phẳng 

chuyển động rối

Phân bố vận tốc trong lớp biên theo qui luật logarith:

Giải phương trình Prandtl cho lớp biên trên tấm phẳng 

chuyểnlớp biên phát triển từ tầng sang rối

Khi lớp biên tầng chiếm một khoảng cách đáng kể trên

chiều dài tấm phẳng, hệ số lực cản trên tấm phẳng được tính kết hợp từ lớp biên tầng và lớp biên rối

Tổng kết lực cản ma sát trên tấm phẳng

Chiều dày lớp biên Hệ số ứng suất ma sát c f Hệ số lực cản C D

Lớp biên

tầng

Động lượng Karman

Blasius (chính xác)

f

x

c ≈

Ví dụ 1 :

Ví dụ 1:

Lý thuyết lớp biên được áp dụng khi nào?

Thế nào là lớp biên mỏng?

Giả thiết Prandtl: nếu số Reynolds rất lớn bề dày lớp biên

là rất mỏngcác phép xấp xỉ đơn giản hóa pt NS

 Khi Re<2500, lý thuyết lớp biên Prandtl sẽ không còn

chính xác vì lớp biên dày sẽ có ảnh hưởng đáng kể đến

phân bố áp suất bên ngoài lớp biên

Ví dụ 2:

Xét dòng chuyển động có vận tốc U=1ft/s qua tấm phẳng

có chiều dài 1ft Xác định chiều dày lớp biên tại cạnh sau của tấm phẳng cho hai trường hợp lưu chất là nước và

không khí ở 20OC Lớp biên của dòng chuyển động vận tốc thấp trên một mô hình kích thước nỏ có thỏa mãn điều kiện lớp biên mỏng?

ρ (kg/m3) ν (m 2 /S)

Nước 1000 1,02.10 -6

Ví dụ 2:

Ví dụ 3:

Nước chuyển động qua tấm phẳng có cạnh trước nhọn,

chiều dài 2.55m, chiều rộng 1m với vận tốc U=2m/s

1.Xác định chiều dài lớp biên tầng trên tấm phẳng Tính lực cản

2.Tính lực cản trên tấm phẳng nếu giả thiết lớp biên ở trạng thái rối hoàn toàn Tính sai số cho trường hợp này

Ví dụ 3:

Giải phương trình Prandtl cho lớp biên trên tấm phẳng 

chuyển động rối

Phân bố vận tốc trong lớp biên theo qui luật logarith:

Ngoài lớp biên: y=δu=U

2

1 2

w f

c

U

τρ

=

Từ định nghĩa hệ số cf: