边界层厚度

定义

边界层(boundary layer)是高雷诺数绕流中紧贴物面的粘性力不可忽略的流动薄层,又称流动边界层、附面层。

这个概念由近代流体力学的奠基人，德国人Ludwig Prandtl于（普朗特）1904年首先提出。从那时起，边界层研究就成为流体力学中的一个重要课题和领域。

关于边界层的厚度，工程应用较多的有边界层的位移厚度和边界层的动量厚度，这两个概念与边界层厚度的定义直接相关，但又不同于边界层的厚度的物理意义。

理解

流体绕过一个固定的物体流动，由于物体必须满足壁面无滑移条件，那么壁面上的流体的切向速度必然为0，但是随着远离壁面的距离的增大，流体的速度必然有所增加，并逐渐达到自由流的速度。

其实，很难定义一个精确的概念来说明边界层厚度到底有多少。统一起见，人们定义了99%的位置作为边界层的厚度的定义，这个厚度被称为边界层名义厚度，或简称边界层厚度。

边界层的动量厚度和边界层的位移厚度，则是对边界层从另外两个角度进行描述，他们主要说明了由于粘性的作用，边界层动量的损失情况和质量的损失情况。

厚度种类

位移厚度

设想边界层内的流体为无粘性时，以均流速度U流过平板；而实际流体具有粘性，以相同速度流过平板时，由于壁面无滑移条件，速度从U跌落至0。如此形成的边界层对流动的影响之一是使设想中的无粘性流体流过该区域的质量流量亏损了（图中阴影区，平板宽度设为1）。将亏损量折算成无粘性的流量，并假设这些质量以来流速度U流过边界层，那么，此时亏损的质量的厚度为δ*（图中阴影区）。

动量厚度

与边界层的位移厚度定义的方法类似，可以定义边界层的动量厚度，边界层对流动的影响使设想中的无粘流体流过该区域的动量流量亏损了，按平板单位宽度计算动量流量亏损量，并将其折算成厚度为θ无粘性流体的动量流量。称θ为动量亏损厚度，简称边界层动量厚度。

能量厚度

边界层厚度也可以基于因边界层存在而导致势流中流体能量的损失来定义。称为边界层能量损失厚度，简称能量厚度。其意义是：在边界层内，为了保证用无粘流计算得到的能量通量与粘性流的实际情况一致，需要将原固壁位置沿法向外推的距离为位移厚度和能量厚度之和。