流體力學中的特殊現(xiàn)象

1、流體力學 之五流體流動中的特殊現(xiàn)象,（五） 流體流動中的特殊現(xiàn)象,人類雖然長期生活在空氣和水環(huán)境中，對一些流體運動現(xiàn)象卻缺乏認識，現(xiàn)舉一些例子來說明。 問題一：球的阻力如何隨速度而變化？ 不言而喻：速度越大阻力也越大！ 對嗎？,流體流動中的特殊現(xiàn)象,錯了！不一定。 一個3英寸（7.6cm)的小球，在風洞的空氣中吹，速度從0開始，慢慢提高，看到的是如下的情況：,流體流動中的特殊現(xiàn)象,以圖表示,流體流動中的特殊現(xiàn)象,問題二：表面光滑還是粗糙 的小球哪個阻力大？ 不言而喻：表面越粗糙阻力也就越大！,流體流動中的特殊現(xiàn)象,又錯了！還是不一定。 高爾夫球運動起源于15世紀的蘇格蘭，當時人們認為表面光滑的

2、球飛行阻力小，因此用皮革制球。,流體流動中的特殊現(xiàn)象,流體流動中的特殊現(xiàn)象,最早的高爾夫球（皮革已龜裂),流體流動中的特殊現(xiàn)象,后來發(fā)現(xiàn)表面有很多劃痕的舊球反而飛得更遠，這個謎直到20世紀建立流體力學邊界層理論后才解開。,流體流動中的特殊現(xiàn)象,現(xiàn)在的高爾夫球表面有很多窩坑，在同樣大小和重量下，飛行距離為光滑球的5倍。,流體流動中的特殊現(xiàn)象,在低速時（120英里/小時192km /小時以下），光滑球(3.5英寸=8.89cm)比輕微粗糙球阻力較小。在某一確定臨界速度之上（125英里/小時=200 192km /小時），粗糙球的阻力突然變得小于光滑球的阻力。,流體流動中的特殊現(xiàn)象,問題三：汽車阻力

3、：來自前部還是后部？ 汽車發(fā)明于19世紀末，當時人們認為汽車的阻力主要來自前部對空氣的撞擊，因此早期的汽車后部是陡峭的，稱為箱型車，阻力系數(shù)（CD）很大，約為0.8。,流體流動中的特殊現(xiàn)象,實際上汽車阻力主要來自后部形成的尾流，稱為形狀阻力,流體流動中的特殊現(xiàn)象,20世紀30年代起，人們開始運用流體力學原理改進汽車尾部形狀，出現(xiàn)甲殼蟲型，阻力系數(shù)降至0.6。,流體流動中的特殊現(xiàn)象,20世紀5060年代改進為船型，阻力系數(shù)為0.45。,流體流動中的特殊現(xiàn)象,80年代經(jīng)過風洞實驗系統(tǒng)研究后，又改進為魚型，阻力系數(shù)為0.3，,流體流動中的特殊現(xiàn)象,以后進一步改進為楔型，阻力系數(shù)為0.2。,流體流動中

4、的特殊現(xiàn)象,90年代后，科研人員研制開發(fā)的未來型汽車，阻力系數(shù)僅為0.137。,經(jīng)過近80年的研究改進，汽車阻力系數(shù)從0.8降至0.137，阻力減小為原來的1/5 。,流體流動中的特殊現(xiàn)象,目前，在汽車外形設計中流體力學性能研究已占主導地位，合理的外形使汽車具有更好的動力學性能和更低的耗油率。,流體流動中的特殊現(xiàn)象,問題四：機翼升力：來自下部還是上部？ 人們的直觀印象是空氣從下面沖擊著鳥的翅膀，把鳥托在空中。 19世紀初建立的流體力學環(huán)量理論，徹底改變了人們的傳統(tǒng)觀念。,足球的香蕉球現(xiàn)象可幫助理解環(huán)量理論。,流體流動中的特殊現(xiàn)象,旋轉(zhuǎn)的球帶動空氣形成環(huán)流，一側(cè)氣體加速，另一側(cè)減速，形成壓差力，

5、使足球拐彎，稱為馬格努斯效應 機翼的特殊形狀使它不用旋轉(zhuǎn)就能產(chǎn)生環(huán)量，上部流速加快形成吸力，下部流速減慢形成壓力，兩者合成形成升力,流體流動中的特殊現(xiàn)象,測量和計算表明，上部吸力的貢獻遠比下部要大。,流體力學的任務與研究方法,流體力學的任務 豐富多彩的流動圖案背后隱藏著復雜的力學規(guī)律，具有高度智慧的人類為揭示流動奧秘建立了流體力學學科，,流體力學的任務與研究方法,研究和解決生產(chǎn)、科研、生活中的流體運動問題就是流體力學的任務。 航空、航天、造船、機械、動力(包括核動力)、冶金、化工、石油、建筑等部門的設備中工作介質(zhì)都是流體，為了改進流程、提高效率，需要流體力學的知識。,流體力學的任務與研究方法,

6、流體力學的任務與研究方法,流體力學研究方法 流體力學的研究方法分三個方面。,1 理論分析方法 理論分析的一般過程是： 建立力學模型，用物理學基本定律推導流體力學數(shù)學方程， 用數(shù)學方法求解方程，檢驗和解釋求解結(jié)果。,流體力學的任務與研究方法,流體力學的任務與研究方法,目前流體力學理論研究的主攻方向是： 湍流、流動穩(wěn)定性、渦運動、水動力學、 水波動力學、復雜流動、多相流動等。 理論分析結(jié)果能揭示流動的內(nèi)在規(guī)律， 具有普遍適用性，但分析范圍有限。,流體力學的任務與研究方法,2 實驗方法 實驗研究的一般過程是： 在相似理論的指導下建立模擬實驗系統(tǒng)， 用流體測量技術(shù)測量流動參數(shù)， 處理和分析實驗數(shù)據(jù)。,

7、流體力學的任務與研究方法,流體力學的任務與研究方法,典型的流體力學實驗有：風洞實驗、水洞實驗、水池實驗等。,風洞實驗（同濟大學）,流體力學的任務與研究方法,測量技術(shù)有：熱線、激光測速；粒子圖像、跡線測速；高速攝影；全息照相；壓力、密度測量等。 現(xiàn)代測量技術(shù)在計算機、光學和圖像技術(shù)配合下，在提高空間分辨率和實時測量方面已取得長足進步。 實驗結(jié)果能反映工程中的實際流動規(guī)律，發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象，檢驗理論結(jié)果等，但結(jié)果的普適性較差。,流體力學的任務與研究方法,3 數(shù)值方法 數(shù)值研究的一般過程是：對流體力學數(shù)學方程作簡化和數(shù)值離散化，編制程序作數(shù)值計算，將計算結(jié)果與實驗結(jié)果比較。,流體力學的任務與研究方法,常用的方法有：有限差分法、有限元法、有限體積法、邊界元法、譜分析法等。 計算的內(nèi)容包括：飛機、汽車、河道、橋梁、渦輪機等流場計算；湍流、流動穩(wěn)定性、非線性流動等數(shù)值模擬。大型工程計算軟件已成為研究工程流動問題的有力武器。,流體力學的任務與研究方法,數(shù)值方法的優(yōu)點是能計算理論分析方法無法求解的數(shù)學方程，比實驗方法省時省錢，但畢竟是一種近似解方法，適用范圍受數(shù)學模型的正確性