01管内流动:入口段 vs 充分发展段
流体以均匀速度入管,近壁无滑移使速度边界层向中心生长,剖面从活塞流畸变为抛物线(中心速度升至 2U)。热边界层(温度色场)同步生长。调节 Re 与 Pr 可改变入口长度,切换壁面条件改变温度场方向。
颜色:蓝=冷 → 红=热
青箭头:速度(越长越快)
青虚线:速度入口段 Lₕ
橙虚线:热入口段 Lₜ
入口长度(层流):Lₕ/D≈0.05·Re;Lₜ/D≈0.05·Re·Pr(Pr≥1 时成立;绘制长度随 Re,Pr 自适应,保证 Lₕ、Lₜ 均落在图内)。
02外掠平板:速度边界层 δ 与热边界层 δt
流体以 U∞ 流过前缘。速度边界层 δ(x)∝x1/2(Blasius 层流);温度渐变区为热边界层 δt。调节 U∞ 改变边界层厚度,切换 Pr 与壁面条件对比两者关系。
温度云图:蓝=冷 → 红=热
青线:速度边界层 δ
橙线:热边界层 δt
03两类边界层的关系:由普朗特数 Pr 决定
δt/δ ≈ Pr−1/3。Pr≪1(液态金属)→ δt 厚于 δ;Pr≈1(气体)→ 近相等;Pr≫1(油)→ δt 远薄于 δ。拖动滑块或点预设。
青框:速度边界层 δ
橙框:热边界层 δt
δt/δ = Pr−1/3
04管内强迫对流:表面传热系数 h(x) 沿程变化
局部 hx=Nux·k/D。入口边界层最薄、梯度最陡 → hx 最高;下游单调下降收敛到渐近常数。切换层流/湍流、恒壁温/恒热流,调节 Re、Pr 看曲线整体抬升或变化。
青线:Nux ∝ 局部 hx
黄虚线:充分发展值
红点:当前位置
层流:Nux=Nu∞+0.0668·Gz/(1+0.04·Gz2/3),Gz=(D/x)RePr;湍流:Nu∞=0.023Re0.8Pr0.4(Dittus–Boelter)。
05速度畸变:入口段演化 与 变物性附加畸变
(a) 入口段速度畸变:剖面从均匀到抛物线。(b) 变物性畸变:壁面传热改变黏度 → 剖面畸变。调节 黏度比 μw/μb:加热液体(μw<μb)近壁流速被抬高→剖面更饱满;冷却则更尖。
蓝虚线:等温抛物线
红实线:畸变剖面
箭头:速度(越长越快)