附面层

流体力学术语

流体力学术语，英文为 Boundary layer，又称为边界层。在物理和流体力学中，边界层是一个重要的概念，并且是指在粘性影响显著的边界附近的流体层。在地球大气层中，大气边界层是地表附近受到昼夜热量，潮气或动量的影响的地面空气层。在飞机机翼上，边界层是靠近机翼的流体的一部分，其中粘性力扭曲周围的非粘性流动。

附面层简介

边界层首先由路德维希·普兰特（Ludwig Prandtl）在1904年8月12日在德国海德堡举行的第三届国际数学家大会上提出的论文中定义。它通过将流场划分为两个区域来简化流体流动方程：一个在边界层内，流体运动受粘度支配，边界体所受的大部分阻力由此产生;一个边界层之外，其粘度可以忽略，而对方程的解没有显着影响。

水、空气或其它低粘滞性流体沿固体表面流动或固体在流体中运动时，在高雷诺数情况下，附于固体表面的一层流体称为边界层。以空气为例，空气流过物体时, 由于物体表面不是绝对光滑的, 加之空气具有粘性, 所以, 紧贴物体表面的一层空气受到阻滞, 流速减小为零。这层流速为零的空气又通过粘性作用影响上一层空气的流动, 使上层空气流速减小。如此一层影响一层，在紧贴物体表面的地方，就出现了流速沿物面法线方向逐渐增大的薄层空气，通常将这一薄层空气称为附面层。边界层内的流速沿垂直于运动方向连续变化,该速度连续下降直到边界上流体质点相对静止为止。

飞机的附面层效应

如上所诉，气流存在附面层效应，也就是贴着机身的气流会减速到接近停止。这种停止的气流被吸入进气道会导致发动机停车。是贯穿航空动力学的一大难题。

附面层分类

层状边界层可以根据其结构和创建情况进行松散分类。当流体旋转并且粘性力通过科里奥利效应（而不是对流惯性）平衡时，形成Ekman层。在传热理论中，产生热边界层时，表面可以同时具有多种类型的边界层。气流的粘性降低了表面的局部速度，造成了边界的摩擦。边界层是机翼表面上由于粘度而降低或停止的空气层，边界层流有两种不同的类型：层流和湍流

层状边界层流

层流边界是非常平稳的流动，而湍流边界层包含漩涡或“涡流”。层流产生比湍流更少的表面摩擦阻力，但是较不稳定。机翼表面上的边界层流动以平滑层流开始，当流动从前缘延伸回来时，层流边界层的厚度增加。

湍流边界层流

在距离机翼前缘一段距离的地方，平滑的层流分解并转变成湍流。从拖拽的角度来看，建议尽可能地从机翼上的层流到湍流的过渡，或者在机翼表面的边界层保留大量层状部分。然而，低能量层流比湍流层更容易分解。

边界层理论

边界层的概念是1904年德国著名的力学家普朗特在海德尔堡第三届国际数学家学会上宣读的“关于摩擦极小的流体运动”的论文中首先提出的。他根据理论研究和实际观察，证实了对于水和空气等粘性系数很小的流体，在大雷诺数下绕物体流动时，粘性对流动的影响仅限于紧贴物体壁面的薄层中，而在这一薄层外粘性的影响很小，完全可以忽略不计。普朗特把这薄层称为边界层，或称附面层。

如图1所示大雷诺数下粘性流体绕流翼型的二维流动，在极狭窄的边界层内流体的速度由壁面上的零值急剧地增加到与来流速度同量级的数值，于是在壁面法线方向上的速度梯度很大，即使流体的动力粘性系数很小，但粘性力仍然可达到很大的数值，所以在边界层内的粘性力和惯性力具有同一数量级。由于速度梯度很大，流体内有相当大的旋涡强度，所以边界层内是有旋流动。当边界层内的有旋流动与壁面分离时，在物体后形成一个速度梯度仍较显著的尾迹区域，由于粘性影响，尾迹中旋涡逐渐扩散，旋涡的动能逐渐变成热能而耗散掉。

附面层应用

附面层分离法

对于米格15、米格21等机头进气飞机，由于进气道本身就是机头中心，所以不存在附面层问题。但是如歼10、F16腹部进气道，苏27、F15两侧进气道进气的气流都会跟机身摩擦产生附面层，所以这些进气道都要加装附面层隔道，这就是带附面层隔道的进气道。

加莱特进气道

这种进气道是在高速乘波机理论的启发下面提出的，利用了超音速激波增压原理。在飞机大M数飞行时，激波贴附在进气口边缘，波后突然增压的气流进入进气道，CARET进气道通过气流经过激波后使气流减速，而经过激波减速后的气流是均匀的，这部分气流可以有效的提高进气道内部的气流性能，适合发动机的进气需要，不需要安装复杂的进气调节控制系统。在进气道内部有多派跗面层吸收孔，在进气道侧面有1个固定排气开口，可排出附层面空气。

目前只有美国的F22、F-18E/F等少数机型采用了这种进气道布局。

DSI进气道

DSI进气道则比加莱特进气道更进一步，利用现代的计算空气力学技术，设计出来一个鼓包，同时实现超音速气流减速、附面层分离，这样比起加莱特进气道还省掉了附面层分离装置，进一步减小了雷达反射截面积，还减轻了重量。目前歼20、F35等先进五代战斗机（2009年后的五代分代法），歼10B、枭龙等最新改进型四代战斗机采用这种进气道。目前仅中美两国掌握。

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