生活當(dāng)中的流體力學(xué)

1、流體力學(xué)作業(yè)生活中的流體力學(xué)成員： 盛文華 學(xué)號(hào)：074090324生活中的流體力學(xué)也許，到現(xiàn)在你都有點(diǎn)不會(huì)相信，其實(shí)我們生活在一個(gè)流體的世界里。觀察生活時(shí)我們總可以發(fā)現(xiàn)。生活離不開流體，尤其是在社會(huì)高速發(fā)展的今天。鷹擊長(zhǎng)空，魚翔淺底；汽車飛奔，乒乓極旋，許許多多的現(xiàn)象都與流體力學(xué)有關(guān)。生活中的很多事物都在經(jīng)意或不經(jīng)意中巧妙地掌握和運(yùn)用了流體力學(xué)的原理，讓其行動(dòng)變得更靈活快捷。不知道大家有沒(méi)有發(fā)現(xiàn)，高爾夫球的表面做成有凹點(diǎn)的粗糙表面，而不是平滑光趟的表面，就是利用粗糙度使層流轉(zhuǎn)變?yōu)槲闪鞯呐R界雷諾數(shù)減小，使流動(dòng)變?yōu)槲闪?，以減小阻力的實(shí)際應(yīng)用例子。最初，高爾夫球表面是做成光滑的，如圖11，后來(lái)發(fā)現(xiàn)

2、表面破損的舊球 圖1-1光滑面 圖1-2粗糙面反而打的更遠(yuǎn)。原來(lái)是臨界Re數(shù)不同的結(jié)果。高爾夫球的直徑為41.1毫米，光滑球的臨界RE數(shù)為3.85×E5，相當(dāng)?shù)淖杂蓙?lái)流空氣的臨界速度為135米/秒，實(shí)際上由于制造得不可能十分完善，速度要稍微低一些。一般高爾夫球的速度達(dá)不到這么大，因此，空氣繞流球的情況屬于小于臨界Re數(shù)的情況，阻力系數(shù)Cd較大。將球的表面做成粗糙面，促使流動(dòng)提早轉(zhuǎn)變?yōu)槲闪?，臨界RE數(shù)降低到E5, 相當(dāng)?shù)呐R界速度為35米/秒，一般高爾夫球的速度要大于這個(gè)速度。因此，流動(dòng)屬于大于臨界Re數(shù)的情況，阻力系數(shù)Cd較小，球打得更遠(yuǎn)。 同樣在游泳的時(shí)候，也受到流體的作用。游泳是在

3、水中進(jìn)行的周期性運(yùn)動(dòng)。人在水中的漂浮能力與身體所持姿勢(shì)直接相關(guān)。身體保持流線型（吸足氣），使重心與水的浮心接近一條直線，就能漂浮較長(zhǎng)時(shí)間；如果先吸足氣，雙臂卻緊貼體側(cè)，胸腔雖充足氣，但下肢相對(duì)上身比重較大，下肢很快就會(huì)下沉。因此，游泳不但要充分利用水的浮力，如圖2-1所示。而且要盡量減少失去浮力的時(shí)間，如頭不要抬得太高，身體不能起伏轉(zhuǎn)動(dòng)太大，空中移臂時(shí)間宜短等。     游泳者游進(jìn)時(shí)受到相反方向的阻力作用。游泳得阻力包括水的摩擦阻力、波浪阻力和物體得形狀阻力。設(shè)流線型物體的阻力為1，那么其他形狀物體的阻力就大幾倍至100倍。推進(jìn)力是指做臂劃水或腿打水（蹬夾水）動(dòng)作

4、時(shí)給水一個(gè)作用力，水就給人體一個(gè)力量大小相等的反作用力，這個(gè)力就叫推進(jìn)力。游泳就是靠臂繞肩關(guān)節(jié)和腿繞髖關(guān)節(jié)，以復(fù)雜的弧線做圓周運(yùn)動(dòng)。根據(jù)圓周運(yùn)動(dòng)的有關(guān)原理，角速度相等時(shí)，半徑越長(zhǎng)線速度越大。所以，游泳運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，距肩和髖最遠(yuǎn)的手和腳的速度最大。臂劃水的作用面是手掌和前臂，腿打、踢水的作用面主要是腳面和小腿前側(cè)；腿蹬夾水的主要作用面則是腳和小腿內(nèi)側(cè)。增加這些部位對(duì)水的橫切面（如佩帶蹼具等），就能產(chǎn)生更大的推進(jìn)力。在我們身邊來(lái)來(lái)往往飛馳的汽車，更是與流體力學(xué)的巧妙結(jié)合。汽車發(fā)明于19世紀(jì)末，當(dāng)時(shí)人們認(rèn)為汽車的阻力主要來(lái)自前部對(duì)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

5、，約為0.8。實(shí)際上汽車阻力主要來(lái)自后部形成的尾流，稱為 圖2-1 圖3-1 箱型車形狀阻力。其車型如3-1.     20世紀(jì)30年代起，人們開始運(yùn)用流體力學(xué)原理改進(jìn)汽車尾部形狀，出現(xiàn)甲殼蟲型，如圖3-2，阻力系數(shù)降至0.6。20世紀(jì)5060年代改進(jìn)為船型，如圖3-3，阻力系數(shù)為0.45。80年代經(jīng)過(guò)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)研究后，又改進(jìn)為魚型，如圖3-4，阻力系數(shù)為0.3，以后進(jìn)一步改進(jìn)為楔型，如圖3-5，阻力系數(shù)為0.2。90年代后，科研人員研制開發(fā)的未來(lái)型汽車，如圖3-6，阻力系數(shù)僅為0.137?？梢哉f(shuō)汽車的發(fā)展歷程就是代表了流體力學(xué)不斷完善的過(guò)程。

6、0; 圖3-2 甲殼蟲型 圖3-3 船型以卡車為例，影響和提升汽車的動(dòng)力特性的裝置主要的是它的導(dǎo)流罩。研究表明，在廂式貨車上安裝導(dǎo)流罩，可以大幅度的降低氣動(dòng)阻力、節(jié)省燃料消耗。安裝導(dǎo)流罩使得氣動(dòng)阻力系數(shù)曲線上的臨界雷諾數(shù)增大:設(shè)置薄壁式的導(dǎo)流罩底邊和駕駛室頂面之間的間隙，可以增強(qiáng)導(dǎo)流罩的減阻效果。在廂式貨車尾部安裝渦流穩(wěn)定器，可以降低尾渦區(qū)內(nèi)氣流能量的消耗，使靜壓回升，壓差阻力減小。 圖3-4 魚型 圖3-5 楔型前上部導(dǎo)流罩裝在駕駛室頂上，能將迎面氣流導(dǎo)向車頂和側(cè)圍，消除或向高出駕駛室頂部以及駕駛室與貨箱之間空間的影響。他有三種形式：板罩式，立體式和渦流凹板式，三種形式分別可使氣動(dòng)阻力降低2

7、0%30%，25%35%，15%20%，第一種已被大量采用，第二種用得比較廣，第三種使用的有限。前下部導(dǎo)流罩和前側(cè)阻翼板，倆者均裝在保險(xiǎn)杠上，下部導(dǎo)流罩使進(jìn)入車下的導(dǎo)流不與車下部分突出的構(gòu)建相互作用，從而可使汽車的氣動(dòng)阻力降低10%15%。車身前側(cè)導(dǎo)流罩和前側(cè)翼板，這倆種裝置都在車身前部分的流線形，可以改善車身部分的流線形，使汽車的氣動(dòng)阻力分別降低10%15%和5%10%。車身前端面和錐形分流器 圖3-6 未來(lái)車型及駕駛室與車身之間的隔板，這種裝置部分或全部地?fù)踝●{駛室與貨廂只見的空隙，以消除側(cè)風(fēng)的影響，前者使氣動(dòng)阻力降低5%10%用得相當(dāng)廣；后者使氣動(dòng)阻力降低10%15%但用得相當(dāng)少。導(dǎo)流罩

8、對(duì)卡車的氣動(dòng)特性有很大的影響。卡車要采用輔助措施使其有平滑的過(guò)渡面，是其表面外形不易產(chǎn)生渦流。最重要的是導(dǎo)流罩的處理，應(yīng)由到氣流平順的流過(guò)頂蓋。廂式貨車安裝導(dǎo)流罩可使汽車表面的流譜發(fā)生重要變化，流譜的改變可大幅度的減小氣動(dòng)阻力，對(duì)減阻節(jié)能意義重大。對(duì)于牛頓流體，英國(guó)科學(xué)家牛頓于1687年，發(fā)表了以水為工作介質(zhì)的一維剪切流動(dòng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。實(shí)驗(yàn)是在兩平行平板間充滿水時(shí)進(jìn)行的，下平板固定不動(dòng)，上平板在其自身平面內(nèi)以等速U向右運(yùn)動(dòng)。此時(shí)，附著于上、下平板的流體質(zhì)點(diǎn)的速度，分別是U和0，如圖4-1，兩平板間的速度呈線性分布，斜率是黏度系數(shù)。由此得到了著名的牛頓黏性定律。 圖4-1 牛頓流動(dòng)定律斯托克斯18

9、45年在牛頓這一實(shí)驗(yàn)定律的基礎(chǔ)上，作了應(yīng)力張量是應(yīng)變率張量的線性函數(shù)、流體各向同性及流體靜止時(shí)應(yīng)變率為零的三項(xiàng)假設(shè)，從而導(dǎo)出了廣泛應(yīng)用于流體力學(xué)研究的線性本構(gòu)方程，以及被廣泛應(yīng)用的納維-斯托克斯方程（簡(jiǎn)稱：納斯方程）。 后來(lái)人們?cè)谶M(jìn)一步的研究中知道，牛頓黏性實(shí)驗(yàn)定律（以及在此基礎(chǔ)上建立的納斯方程），對(duì)于描述像水和空氣這樣低分子量的簡(jiǎn)單流體是適合的，而對(duì)描述具有高分子量的流體就不合適了，那時(shí)剪應(yīng)力與剪切應(yīng)變率之間己不再滿足線性關(guān)系。為區(qū)別起見，人們將剪應(yīng)力與剪切應(yīng)變率之間滿足線性關(guān)系的流體稱為牛頓流體，而把不滿足線性關(guān)系的流體稱為非牛頓流體。因?yàn)閷?duì)血液而言，剪應(yīng)力與剪切應(yīng)變率之間己不再是線性關(guān)系，己無(wú)法只給