生活当中的流体力学

流体力学作业生活中的流体力学成员：盛文华学号：生活中的流体力学也许到现在为止你还是不敢相信，其实我们生活在流体世界里。 观察生活，我们总能发现。 在生活中流体是必不可少的，特别是在社会迅速发展的今天。 鹰拍打天空，鱼儿飞向浅底的汽车飞行，乒乓球旋转，许多现象与流体力学有关。 生活中的许多东西，在神经和无意识中巧妙地把握和运用流体力学的原理，使其行动更加灵活和迅速。高尔夫球表面不是光滑的球道表面，而是利用粗糙度来减少使层流变成湍流的临界雷诺数，使流变成湍流，减少阻力的实例还不为人所知。 最初，高尔夫球的表面变得光滑，如图1-1所示，发现了表面破损的旧球。图1-1平滑面图1-2粗糙面反过来打得更远。 本来是临界Re数不同的结果。 高尔夫球直径为41.1毫米，平滑球的临界RE数为3.85E5，相当自由流动的临界速度为135米/秒，实际上不能完全制造，因此速度稍低。 一般来说高尔夫球的速度不是很大，所以空气在流球中转动的时候比临界Re数小，阻力系数Cd很大。 使球表面粗糙，流速快速变湍流，临界RE数下降到E5，相当临界速度为35米/秒，一般高尔夫球速度大于此速度。 因此，在流动大于临界Re数的情况下，阻力系数Cd较小，球打得更远。同样在游泳的时候也受到了流体的作用。 游泳是在水中进行的周期性运动。 人在水中的浮游能力直接关系到身体的姿势。 身体保持流线型，使重心和水的浮心接近一条直线，能够长时间浮游的先吸入脚的空气，两臂紧贴身体侧，胸腔有充足的空气，但下肢比上半身比重大，下肢很快下沉。 因此，游泳不仅是水的浮力，如图2-1所示。 并且，尽量减少失去浮力的时间，为了不过度抬头，不能使身体起伏大幅度转动，在空中移动手臂的时间很短等。游泳者在游泳时受到相反方向的阻力。 游泳阻力包括水摩擦阻力、波浪阻力和物体形状阻力。 设流线型物体的阻力为1，则其他形状物体的阻力会加倍到100倍。 推进力是指胳膊打水或脚打水时供水的力，水给予身体力量大小相等的反作用力，这个力就是推进力。 游泳用手臂以肩关节和脚围绕髋关节，以复杂的弧度进行圆周运动。 根据与圆周运动相关的原理，在角速度相等的情况下，半径越长线速度越大。 所以在游泳运动中，离肩膀和髋骨最远的手和脚的速度最大。 臂的排水作用面为手掌和前臂，腿的排水作用面主要为脚面和小腿前侧，蹬腿的水的主要作用面为脚和小腿的内侧。 如果增加这些部分相对于水的横截面(安装刮水器具等)，会产生更大的推进力。我们周围来往的汽车，是与流体力学的巧妙结合。 汽车的发明是在19世纪末，汽车的阻力主要来自于对前部空气的冲击，因此初期的汽车后部陡峭，被称为箱型车，阻力系数(CD )大约为0.8。 实际上，汽车阻力主要来源于后部形成的后流，被称为图2-1图3-1箱型车形状阻力。 那辆车好像是3-1从20世纪30年代开始，人们开始运用流体力学原理改良汽车尾部形状，出现甲壳虫模型，如图3-2所示，阻力系数下降到0.6。 195060年代改良为船型，如图33所示，阻力系数为0.45。 80年代经风洞实验系统研究，改进为鱼型。 图3-4，电阻系数为0.3，以后改进为楔形。 图3-5，电阻系数为0.2。 90年代以后，科学研究者开发的未来型汽车，如图3-6所示，阻力系数仅为0.137。 汽车的发展历史可以说是流体力学不断完善的过程。图3-2甲壳型图3-3船型以卡车为例，影响汽车动力特性、提高汽车动力特性的装置主要是其导向罩。 研究表明，在班机型卡车上安装导向罩可大幅度降低气动阻力，节约燃料费用。 通过以空气阻力系数曲线上的临界雷诺数为：的方式安装导套，并设置薄壁式导套的底边与驾驶室顶面之间的间隙，可以提高导套的阻力降低效果。 在汽车尾部安装涡流镇流器，可以减少尾涡区域内气流能量的消耗，恢复静压，减少压差阻力。图3-4鱼型图3-5楔形前上部的导向盖安装在驾驶室的天花板上，可以将正面气流导向车顶和侧挡板，可以消除或提高对驾驶室天花板和驾驶室后备箱之间空间的影响。 其他有板盖式、立体式和涡流凹板式三种形式，三种形式分别能使气动阻力下降20%30%、25%35%、15%20%，第一种已经大量采用，第二种比较广泛，第三种有限。 前下部的导向罩和前侧的挡板都安装在保险杠上，下部的导向罩为了不与进入车下部的导向突出到车下部分的构造相互作用，可以使车的气压阻力降低10%15%。 车身前侧的导向罩和前侧翼都是车身前部的流线形，可以改善车身部分的流线形，使汽车的气压阻力分别降低10%15%和5%10%。 车身前端面和锥形分流器图3-6未来车型以及驾驶室和车身之间的隔板，该装置部分或全部隔断驾驶室和行李箱之间的间隙，消除侧风的影响，前者使气压阻力降低5%10%，使用相当广泛的后者使气压阻力降低10%15%，但是相当少。导向罩对卡车气动特性有很大影响。 卡车应采取辅助措施具有平滑过渡面，其表面外形不易产生涡流。 最重要的是导风槽的处理，气流顺畅地通过顶盖。 在货车上安装导向罩对汽车表面的流谱产生了重要的变化，流谱的变化可以大幅减少气动阻力，对减阻节能至关重要。关于牛顿流体，英国科学家牛顿于1687年发表了以水为工作介质的一维剪切流动的实验结果。 实验是在两平行平板之间充满水时进行的，下平板不动，上平板在其自身的平面内以等速u向右移动。 此时，附着在上下平板上的流体质点的速度分别为u和0，如图4-1所示，两平板间的速度呈线性分布，斜率为粘度系数。 由此，得到了着名的牛顿粘性定律。图4-1牛顿流动定律根据斯托克斯1845年牛顿的实验规律，应力张量建立了应变速率张量线性函数、流体各向同性和流体静止时应变速率为零三个假设：广泛应用于流体力学研究的线性结构方程和广泛应用的navistox方程之后，牛顿的粘性实验法则(以及基于此制作的茄子方程式)虽然适合描述水和空气这样的低分子量的简单流体，但已知不适合描述高分子量的流体，剪应力和剪应变率之间不满足线性关系。 为了区别，在剪应力和剪应变率之间满足线性关系的流体称为牛顿流体，不满足线性关系的流体称为非牛顿流体。 对血液来说，剪切应力和剪切应变率之间没有直线关