電弧陽極邊界層傳輸機(jī)理及其對(duì)焊接熱效率的影響中文摘要

邊界層是一個(gè)薄層，它緊靠物面，沿壁面法線方向存在著很大的速度梯度和旋度的流動(dòng)區(qū)域。粘性應(yīng)力對(duì)邊界層的流體來說是阻力，所以隨著流體沿物面向后流動(dòng)，邊界層內(nèi)流體流速會(huì)減小，壓力增加。由于流體流動(dòng)的連續(xù)性，邊界層會(huì)變厚，以在同一時(shí)間內(nèi)流過更多的低速流體。因此邊界層內(nèi)存在著逆壓梯度，流動(dòng)在逆壓梯度作用下，會(huì)進(jìn)一步減速，最后整個(gè)邊界層內(nèi)的流體的動(dòng)能都不足以長久的維持流動(dòng)一直向下游進(jìn)行，以致在物體表面某處其速度會(huì)與勢(shì)流的速度方向相反，即產(chǎn)生逆流。該逆流會(huì)把邊界層向勢(shì)流中排擠，造成邊界層突然變厚或分離。邊界層分離之后，它將從緊靠物面的地方抬起進(jìn)入主流，與主流發(fā)生參混，結(jié)果是整個(gè)參混區(qū)域的壓力趨于一致。

現(xiàn)以黏性流體繞過一無限長圓柱體的流動(dòng)為例，從邊界層的形成和變化過程來說明曲面邊界層的分離現(xiàn)象。如圖所示:

當(dāng)流體到達(dá)A點(diǎn)(駐點(diǎn))時(shí)，流速為零，流體的壓力p最大。由于流體是不可壓縮的，后繼流體質(zhì)點(diǎn)在A點(diǎn)處，流體高壓力作用下，只好將部分壓力作用轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，沿圓柱體繼續(xù)向下游流動(dòng)。又由于流體黏性作用，沿柱體表面的法線上將建立起速度邊界層，且沿流動(dòng)方向逐漸加厚。

在AB段，外流區(qū)域中的勢(shì)流流動(dòng)都處于加速減壓的狀態(tài)。由于邊界層內(nèi)各截面上壓強(qiáng)近似等于同一截面上邊界層外邊界上的流體壓強(qiáng)，可知邊界層內(nèi)部流體也處于加速減壓狀態(tài)。所減少的壓力能，部分用于克服由于黏性流動(dòng)所產(chǎn)生的摩擦阻力，另外一部分轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，形成加速流。在AB段，壓力梯度dp/dx<0，稱為順壓區(qū)。

當(dāng)流體到達(dá)圓柱體最高點(diǎn)B時(shí)，速度達(dá)到最大，壓力最小。 B點(diǎn)之后，外部勢(shì)流及邊界層內(nèi)的流動(dòng)均處于減速加壓的狀態(tài)下，壓力遞增，流速遞減，dp/dx>0，稱為逆壓區(qū)。由于壓力與黏性阻力的共同作用，流體動(dòng)能越來越小。當(dāng)?shù)竭_(dá)C點(diǎn)時(shí)，近壁處流體質(zhì)點(diǎn)的動(dòng)能已被消耗殆盡，流體質(zhì)點(diǎn)不能繼續(xù)向前運(yùn)動(dòng)，于是一部分流體質(zhì)點(diǎn)在C點(diǎn)停滯下來。在C點(diǎn)，流體速度為0，但壓力較上游更大。

由于流體是不可壓縮，后繼流體質(zhì)點(diǎn)因C點(diǎn)處高壓而不可接近，被迫脫離壁面和原來的流向向下游流去。這種邊界層脫離壁面的現(xiàn)象稱為邊界層分離，C點(diǎn)稱為分離點(diǎn)。

過C點(diǎn)以后，壓力繼續(xù)增加，在壓力差的作用下，除壁上流體質(zhì)點(diǎn)速度仍處于零外，近壁處的流體質(zhì)點(diǎn)開始倒退。而后的流體質(zhì)點(diǎn)在近壁處同樣被迫停滯和倒退，以致越來越多被阻滯的流體短時(shí)間內(nèi)在圓柱體表面和主流之間堆積起來，使邊界層劇烈增厚，邊界層內(nèi)流體質(zhì)點(diǎn)的倒流迅速擴(kuò)展，而邊界層外的主流繼續(xù)向前流動(dòng)。這樣在C點(diǎn)下游，以CC'線為界，在CC'以內(nèi)是倒流，以外是向前的主流，兩者方向相反。