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二次流原理

二次流原理流體力學中的一個重要概念,它描述了在流體流動中除了主流之外的附加流動現象。具體來說,當流體沿某一邊界流動時,如果受到橫向壓力的作用,流體層會相對於邊界產生平行偏移。這種情況下,靠近邊界的流體層由於速度較小,會比遠離邊界的流體層偏移得更厲害,從而在主流之上產生額外的流動,即二次流。

二次流的產生通常需要滿足以下條件:

流場中存在離心力場:這意味著流場中的運動參數(如主流速度)存在切線分量,或者主流流線圖存在曲率半徑。

流場中存在剪下應力梯度:這包括流體是粘性流體,以及流體可以在固定的幾何邊界條件下運動,或者在假想的「固化」幾何邊界條件下運動。剪下應力梯度的存在是二次流形成的關鍵因素之一。

在實際套用中,二次流的現象非常普遍,例如:

彎管中的二次流:在彎管中,由於流體的慣性作用,核心區域的流體趨向於沿著管道中心線流動,而沿邊界的速度較低的流層則產生顯著的偏轉,趨於流向彎管的內側。這導致在管中心指向彎管外側的流動和在管壁附近指向內側的流動,從而使最大流速區域向外壁偏移。

非圓截面直管內的二次流:這種二次流向管道截面的尖角或大曲率部位流動,然後返回主流中心。它可以使河流中的小漂浮物趨向河心,這種現象僅在湍流中產生。

脈衝振盪流中的二次流:由固體在流體中振盪而產生,與平均壓強、動量和摩擦力之間的相互作用有關。這種現象在超音波實驗中最為顯著。

通過以上分析,我們可以看到二次流原理在理解和分析流體動力學中的複雜流動現象時的重要性。