趣味流体力学

流体力学 主讲 李海林电话公室 思源楼204 流体力学 流体静力学 流体动力学 第一章绪论 第二章流体静力学 流体力学 第三章流体动力学基础 第四章流动阻力和水头损失 第五章孔口 管嘴出流和有压管流 第六章明渠流动 第七章堰流 第八章渗流 第九章量纲分析和相似原理 流体力学 第1部分 流体力学考试时间 考核方式 10月份全国大自考 统考 第2部分 流体力学实践考核方式 实践报告考试成绩 100分 换算为大自考成绩30分 趣味流体力学 Happywork 流体及其性质 流体的流动性 实验 怎样区别生鸡蛋和熟鸡蛋呢 为什么 流体是液体和气体的总称 是由大量的 不断地作热运动而且无固定平衡位置的分子构成的 比如 我们身边的水 空气 油等都是流体 和固体不同 可以自由地变形是流体的特征 实验里生鸡蛋和熟鸡蛋的不同 是由于里面的液体或固体引起的 固体不易变形 因此立刻跟随外壳一起旋转 液体易变形 即使外壳旋转了 液体也不会立刻跟随转动 惯性原理 相反 一旦旋转起来 外壳瞬间停止转动时 由于惯性作用 液体依然会继续旋转 就出现了实验里的现象 你才熟 你全家都熟 你是熟的 把它们放在桌子上转一下看看 很简单就能转起来的是熟鸡蛋 生鸡蛋不好转 接着 用手拨动鸡蛋使其连续旋转 然后突然用手指按住鸡蛋并立即松开 熟鸡蛋停止旋转 而生鸡蛋会又开始旋转 流体及其性质 流体的流动性 应用超高层楼房或塔 会受到由风或地震引起的晃动的困扰 为了保持舒适和安全的状态 使用了很多抑制震动的方法 其中之一是采用在建筑物顶部设置水箱的方法 这就是利用了水可以自由变形的性质 流体及其性质 流体的粘性 实验 准备两个纸杯 在靠近底部开孔并各插入一支吸管 将其中一支吸管剪短 往两只杯子里倒入同量的水 使水同时从吸管中流出 短吸管的杯子里的水会较早流完 如果撤掉那个有短吸管的杯子 再找一个纸杯 将两支口径较细 与粗吸管长度一致的吸管插到纸杯上 那么 哪只杯子里的水先流完呢 流体的粘性是流体流动时 流体内部质点间或流层间因相对运动而产生内摩擦力 以抵抗其相对运动的性质 两支细的吸管截面积之和与一支粗吸管的截面积相等 流体及其性质 流体的粘性 为什么 当流体在管道中流动时 由于管壁和流体之间的粘性摩擦 产生了管摩擦损失 损失的能量与管子的长度成比例 因此 装有长吸管的杯子中的水就相对难以流出 排出时间较长 要保证流量 管路越长 就越需要在上游处施以高压 并且 管路越细 管摩擦损失就越大 如果两支细的吸管截面积之和与一支粗吸管的截面积相等 还是两支细管子的能量损失较大 水的排出时间较长 管子越粗 越短 则能量损失就越小 流体及其性质 流体的压缩性与弹性 实验 用一次性筷子和吸管做一个纸团炮 首先把筷子削到可以插进吸管的程度 接着把手纸裁成小块儿弄成球形并用水湿透 大小是能比较紧地塞进吸管为好 将两个纸团分别塞进吸管的两端 用筷子快速推其中一个纸团 则另一个纸团就会飞出 流体及其性质 流体的压缩性与弹性 为什么 施加压力则体积缩小的性质称为压缩性 气体分子在自由飞行的过程中 相互碰撞或与四壁碰撞 通过压缩使体积缩小 分子相互碰撞或与四壁碰撞的机会增加 因此使温度和压力上升 在实验里 吸管中被压缩而压力变高的空气使纸团飞出 运用汽油机通过活塞压缩汽缸内的油气混合气 使压力和温度升高 提高能量的利用效率 流体及其性质 液体的表面张力 实验 找一块带圆孔的塑胶片 把水滴入圆孔中做成水膜 然后通过圆孔看报纸 只要水滴不下来 就尽量多滴入一些 水滴呈凸面镜的状态 调整和报纸之间的距离可以清楚地看到放大的文字 接着用手指在圆孔上蹭一下 使水变少 只要水膜不破 就尽量减少一些水 使水滴呈凹面镜的状态 这时可以看到文字变小 为什么 液体中的分子有相互聚集的性质 所以液体表面会产生一种向中心集中的力 凝集力 称为表面张力 实验中 水量多的情况下 水面在圆孔中上下涨起来 因为表面张力的作用 水不会落下来 凹透镜的情况也是表面张力的作用 因为亲水性 固体分子和水分子之间相互吸引 圆孔的表面和水相互吸引 使得水膜中间部分变薄 成为凹透镜 流体及其性质 液体的表面张力 运用因为液体表面张力作用 如果在航天飞机那样无重力的状态下 飘在空中的水滴会呈球形 利用这个原理 可制造非常小的球形粒子 固体表面不易沾水的性质 称为疏水性 为了使衣服 书包 鞋子 雨伞等不易沾水 我们可以对它们进行防水加工 滑雪服不易沾融化的雪 汽车玻璃的防雾和车体的防尘功能都是利用了防水加工 飞机与流体力学 飞机升力的产生1 实验 准备两个口大底小的纸杯 用双面胶带把它们底对底粘合在一起 然后横着放到桌子上 现在的问题是可以用吸管怎样吹才能使它右侧滚呢 如果把吸管直接正对着纸杯左侧吹 这种方法就是小学生也会 还有其他的方法吗 向纸杯的右下方斜向吹气 然后边吹边平行地使吸管向右方向移动 这样纸杯就会滚过来了 飞机与流体力学 飞机升力的产生1 为什么 当流体的流动发生弯转时 流动的流体受到了向外的离心力的作用 如果把弯曲的流线看成是圆弧的一部分 受离心力的作用 圆弧的外侧压强变高 相反内侧压强变低 这称为流线曲率定理 不管是什么样的流动 在流线发生弯曲的地方 这个定理就会成立 气流沿着纸杯流动时 如图所示的那样流线弯转 使外侧压强高 内侧压强低 流线的外侧 离纸杯远处 的压强与大气压一致 内侧 纸杯近处 形成低压强 低于大气压 纸杯的表面压强最低 同时 因为纸杯左上方的气压与大气压一致 因此 两者的差导致纸杯受到向斜右下方的力 这个力的水平方向的分力使纸杯向右侧滚动 而如果用我们熟知的伯努利定律来解析的话 高速流动的空气的动能变大 根据能量守恒的原则 动能加大的同时其他形式的能量就会减少 因为此时势能并没有变化多少 减少的就是压强能 因此 纸杯右下侧的压强下降 而其他地方大气压不变 使纸杯受到向斜右下方的力 推动纸杯向右侧滚动 飞机与流体力学 飞机升力的产生1 飞机的应用对于固定翼的飞机 当它在空气中以一定的速度飞行时 根据相对运动的原理 机翼相对于空气的运动可以看作是机翼不动 而空气气流以一定的速度流过机翼 由于翼型的上表面凸些 这里的流线变密 流管变细 相反翼型的下表面平坦些 这里的流线变化不大 根据连续性定理和伯努利定理可知 在翼型的上表面 由于流管变细 即流管截面积减小 气流速度增大 故压强减小 而翼型的下表面 由于流管变化不大使压强基本不变 这样 翼型上下表面产生了压强差 由于上下的压强差 机翼受到了升力的作用 飞机与流体力学 飞机升力的产生2 实验 找一个发泡塑料的托盘 从托盘上切下一块四方形的板 用竹签斜插到板上 然后把竹签插进吸管里 用电风扇或电吹风机对着板子吹风 板子会向上浮动 这是机翼的一种类型 如果平衡不太好 可以调整一下竹签的位置和角度 为什么 从流体运动的变化来进行说明 在实验中 因为泡沫塑料板以一定的角度相对于流体的运动方向 碰到板子的气流被迫向下偏转 其反作用力使板子受到了升力的作用 飞机与流体力学 飞机升力的产生2 飞机的应用 这个原理也被应用于飞机的机翼 飞机的主翼在安装时 相对于气流的运动方向成一定角度 这个角度被称为迎角 机翼的下侧面的气流因此向下偏转 上侧面的气流沿着翼面流动 最终向斜下方向流出 这样 机翼的上下面的气流都是向下偏转 受其反作用力 机翼获得了升力 汽车与流体力学 流线型 实验 准备两个空的可乐瓶 如图所示 把它们按到水里 然后突然松手 哪个会跳得更高 让我们来试一下各种形状的瓶子 并且 把它们倒过来也试一下 看看怎样才能跳的更高 结论是外形阻力小的瓶子会跳得更高 右图中所示的前进方向的前侧为圆形 后侧尖细的流线形比较理想 这种外形的瓶子会跳得更高 汽车与流体力学 流线型 为什么 流线形是受到抵抗小的形状 其理由是抑制了剥离 为什么会产生剥离 如图所示 可以考虑缩小的流动和扩大的流动这两种情况 缩小的流动是随着向下游的行进 流动变得越来越窄 越往下游 流动通路的断面积越小 流速则越大 根据伯努利定律 压强是下降的 因为高压向低压的流动是自然的流动 所以缩小的流动也就是安定的 相反 扩大的流动是随着向下游的行进 流动变得扩展开来 越往下游 流动通路的断面积越大 流速则越小 压强上升 从低压向高压的流动与自然的流动方式是相反的 因此也就是不安定的流动 汽车与流体力学 流线型 为什么 一般来说 从高压向低压的流动是自然的 因此 在扩大的流动时 受某种诱发因素的影响 会很容易产生逆流 如图所示 急剧扩大的流动和阶梯状扩大的流动 都是因为使流动急剧扩大 所以在固体表面产生了逆流 在扩大的部分 产生的逆流在循环着 这就是流动的剥离 像这样 在流动扩大的地方 因为压强的上升易导致剥离的产生 所以设计时必须要注意 一旦产生了剥离 阻力则急剧增加 能量的损失也就加大 因此为了减小阻力 原则就是要避免流动的急剧的扩大 汽车与流体力学 流线型 根据以上所述 让我们来考虑一下流线形应该是什么样子才对 在流线形的前半部分 流路面积减小 呈缩小的流动 因为不易产生剥离 所以物体的宽度变化稍微急剧一些也不要紧 但是 如果前端过于尖锐 当前端相对于流动的方向改变时 前端的流体无法急剧弯转 则会产生剥离 为了防止这种情况的产生 前端通常为圆形 在流线形的后半部分 因为流路面积扩大 呈扩大的流动 为了避免急剧的扩大和折角等引起剥离的因素 通常流路的断面积都是渐开的 也就是物体的宽度渐渐地变小 最后变得尖锐 汽车与流体力学 流线型 应用从汽车外形的演变 我们可以看出流体力学对汽车的影响 随着汽车速度的增加 汽车外形不仅要考虑机械工程学 人机工程学和美观 并且越来越多的考虑空气动力学 以减小阻力 降低风阻和提高下压力有两个主要的办法 减少迎风面积和采用流线形状 流线型则可以减少空气流经车身时产生的涡流 从而减少阻力 汽车与流体力学 伯努利 Bernoulli 定律 实验 准备两双筷子和两个易拉罐 在两双平行放置的筷子上分别放上一只空的易拉罐 向两只易拉罐之间吹口气看一看 会出现什么情况 我们会发现两只易拉罐相互倒向内侧 为什么 当流体能量损失非常小的情况下 如果损失可以忽视 能量则保持一定 这称为伯努利定律 它表示了流体能量守恒的原则 在实验中 气流流经两个易拉罐之间狭窄的部分时 流速加快 高速流动的空气的动能变大 根据能量守恒的原则 动能加大的同时其他形式的能量就会减少 因为此时势能没有变化 减少的就是压强能 因此 易拉罐之间的压强下降 周围的大气压使两只易拉罐相互倒向内侧 汽车与流体力学 伯努利 Bernoulli 定律 应用从汽车的外形设计 需要考虑保持行车稳定所需要的下压力 特别是在高速场合里 可以通过流线形来改变空气于车体上部和地盘下部的气流流速来控制下压力 赛车需要高速拐弯以及急加速时 需要增加轮胎对地面确实的附着力 防止打滑 为了实现这个目的 使用了与实验中同样的原理 车体底部的中间部分向下突起 使之与路面的间距变窄 而车体的前后部与地面的距离较大 这样 流体在通过狭窄的部分时 流速加快 此处的压力就会下降 使车体被吸向路面 增加附着力 从而防止打滑 使高速行驶变为可能 航船与流体力学 船吸现象 现象 当两艘船靠得比较近 平行着向前航行时 很容易因为水的作用 慢慢靠近 最后发生相撞 现在航海上把这种现象称为 船吸现象 为什么 因为在两艘船中间的水比外侧的水流得快 中间水对两船内侧的压强 也就比外侧对两船外侧的压强要小 于是 在外侧水的压力作用下 两船渐渐靠近 最后相撞 流体力学与其他 马格努斯 Magnus 效应 应用使棒球或足球旋转时 它们的飞行方向会发生改变 而不是走直线 比如 投手在投球时 从上面向下看 球如果是顺时针旋转的话 球则偏向右侧 如果逆时针旋转 球则偏向左侧 当足球在罚角球时 如果使球旋转得当 则足球会直接飞入球门 在排球 网球 乒乓球等要求球往界内落的竞技运动中 会经常看到使用上旋球而使球产生向下方的升力的情况 流体力学与其他 层流与乱流 应用高尔夫球为什么是麻脸的 流体作用在运动物体上的阻力 除了由流体的黏性引起的阻力外 还有一种由于流场改变所产生的阻力 而且在物体运动速度较快时 这种阻力会占阻力的大部分 原来当物体快速飞行时 在物体前面和后面的产生了很大的压差 即前面的压力大 后面的压力小 在球的后面形成了对称的漩涡 在球附近的流体分子贴着球走一段后 就脱离球面 这种现象也称为边界层分离 边界层分离总是和漩涡同时产生的 我们知道在漩涡的中心流体的压力是小的 这一点会游泳的人有很深的体会 游到漩涡边上 由于漩涡中心的压力小 人会被吸进漩涡中去 那是十分危险的 球后面是中心压力很小的漩涡 而球前面的压力是较大的 由于这个压力差 球就受一个很大的阻力 一般说来 球的飞行速度越大 边界层的分离就越早 在球的后面形成的漩涡区也就越大 这种压差所形成的阻力也越大 从根本上说 飞行的球所以产生边界层分离的现象也是由于流体有黏性的缘故 流体力学与其他 层流与乱流 光滑的球由于这种边界层分离得早 形成的前后压差阻力就很大