【原】离心泵名词术语介绍：边界层

前言

每个行业都有自己的专业词汇，离心泵行业也不例外。每个与泵打交道的销售人员、工程师、最终用户和维护人员都需要了解许多术语。如果你希望成为一名称职的泵行业专业人士，了解这些术语至关重要。

边界层

在流动的流体中，边界层是指贴近固体壁面附近的一部分区域，在这部分区域中，沿着固体壁面的切向速度从壁面处的速度（无滑移情况，紧贴壁面的流体完全粘附于壁面）逐渐（边界层内的流动速度由壁面向外是渐近上升的）发展接近不受壁面摩擦影响的主流 - 自由流动速度。也就是说，边界层是由沿着边界表面流动的流体形成的边界附近的粘性流体薄层。流体与壁面的相互作用导致了无滑移边界条件（壁面处的零速度）。然后，流速在壁面以上单调增加，直到其恢复到主流速度。

边界层的基本概念是由L.Prandtl（1904年）提出的，它将边界层定义为具有非常高雷诺数的流体层，即与惯性力相比具有相对低的粘度。

边界层厚度通常定义为边界层内流速达到主流（自由流动）速度的99%时的那一点离壁面或边界的距离。在与高雷诺数的自由流动有关的极薄边界层内，由壁面向外，垂直于壁面的流体速度急剧上升。

与实际上无摩擦的自由流动相比，由相同数量级的惯性和摩擦力在边界层内引起的摩擦不容忽视，因为，摩擦力也作用在壁面上，并会造成摩擦阻力。

边界层流动和自由流动相互影响：一方面，自由流动受边界层的位移效应使其偏离壁面，另一方面，自由流动在边界层上施加压力，这在很大程度上决定了边界层的发展。

边界层中的流动可以是层流的，也可以是湍流的。然而，在相同的自由流动速度下，层流边界层比湍流边界层薄。在湍流边界层流动的情况下，速度分布更宽，速度梯度朝向壁面陡峭，导致比层流边界层情况下高得多的摩擦阻力。

在壁面附近，即使是湍流边界层也总是具有层流子层，因为包括湍流波动在内的所有横向运动都必须在壁面本身消失。

边界层示意图（显示从层流到湍流状态的转变）

在流体绕物体流动时，在前端为不稳定的层流边界层，边界层厚度会逐渐增加，直到一段距离后，层流会在诸如壁面粗糙度或自由流动中的湍流波动等扰动的影响下发展为湍流。

边界层可能会与壁面脱离（边界层分离）。这种现象出现在流动区域，自由流动对边界层施加的静压沿流动方向上升。

自由流的流动在边界层分离的作用下偏离壁面，在分离点的下游形成以漩涡为特征的死水区。死水区的流速在大小和方向上都是不稳定的，部分死水向后流动（再循环效应）。

在分离点下游的分离路径上没有明显的摩擦阻力。然而，由于死水区的存在，压力阻力的增加远远大于摩擦阻力的减少。这意味着在边界层分离的情况下，物体的总流动阻力显著增加。应通过设计措施和流体动力学流线型设备（如配件、管口或扩散体等），尽可能避免这种流动分离。

一种特殊类型的流动分离涉及所谓的分离气泡，分离前的边界层处于层流状态时，则所形成的分离气泡为层流分离气泡，否则为湍流分离气泡。

在弯曲管道和旋转系统中，边界层的流动速度下降会破坏自由流动中的压力、离心力和科里奥利力之间的平衡状态，结果会导致三维二次流的出现。

流体在管道内流动时，边界层扮演着重要角色。在管道入口处的速度分布通常保持恒定。在近壁面处会形成边界层，其厚度随着与管道入口之间距离的增加而增加。不受摩擦作用影响的主流区会被加速，到达管道中央之前的区域为边界层的发展区域。之后，流体在管道中的流动形态和速度分布将保持不变。

边界层参数的计算基于粘性流体运动的Navier-Stokes方程的解。