生活中的流体力学

1、生活中的流体力学王陈柱（学号：096090074）E-mail:348693287摘要流体包括气体和液体，其中空气和水是最典型而广泛存在的流体。流体力学是研究流体平衡和运动规律以及流体与固体壁面间作用力的一门科学，是力学的一个分支。流体及流体力学现象充斥在我们生活的各个方面，我们生活在一个流体的世界里。例如生活中的交通运输中的火车、汽车的流线型设计及飞机飞行原理，家居生活中的空调制冷系统中的管路设计，饮食生活，甚至人类的体育活动都合流体力学息息相关。了解生活中的流体力学，可以加深我们对物质世界的理解，以指导我们更好更科学的生活。一、交通工具与流体力学 1.1高速列车空气阻力和流线型设计火车跑得

2、越快，受到的机械阻力和空气阻力就越大。试验表明，列车的机械阻力与列车的速度成线性关系，而列车的空气阻力与列车速度成平方关系。因此，列车的速度越高，空气阻力在总阻力中所占的比例将急剧升高，成平方关系上升，而空气阻力耗散的功率与速度的立方成正比。根据法国、德国等高速列车的试验表明，当车速为250千米时，空气阻力将占总阻力的75，空气阻力所耗散功率占总耗散功率的85以上，如果车速增加到300千米时，则空气阻力将占总阻力的90以上。可以看出，空气阻力成为高速列车提高速度的主要限制因素，也就是说高速列车的牵引力绝大部分是为了克服空气阻力，所以高速列车的发展，一方面要提高机车(或动力车)的牵引功率，另一方

3、面要采取措施，降低高速列车的车)的牵引功率，另一方面要采取措施，降低高速列车的空气阻力。高速列车的空气阻力包括列车头、尾部的压差阻力，列车侧面的摩擦阻力和列车车体其他各部位结构与空气接触而引起的干扰气动阻力。因而整列高速列车的车体的各部位外形设计都要考虑如何减小上述的各种空气阻力。 高速列车运行时，车头迎风受到正压力，而尾部由于涡流产生负压力。由此形成压差产生的空气阻力叫做压差阻力。在非高速运行的情况下，压差阻力并不占重要地位因此普通机车的形状基本上是平头，一般叫做钝形车头，如我国现使用的韶山型电力机车。但随着运行速度的提高，压差阻力也随之增大，必须注意在机车和高速列车外形设计时减少这部分阻力

4、。高速飞机的外形设计采用了流线型，头部很像大型鱼头。空气围绕流线型物体移动时，像鱼在水中游动，就会引起很小的压差阻力。高速列车的机车外形都设计成流线型，以减少空气阻力。日本近年设计制造的700系列高速列车，其头部仿照鸭嘴形状。各国高速列车外形都采用流线型设计，但具体线型也不完全一样，仍在不断研究与改善中。根据列车头尾部流线型的程度不同，其压差阻力约占列车总空气阻力的714。 高速机车头部设计成流线型，还可保证高速列车进入隧道时车头的安全。列车进入隧道时，车头受到突然的正面脉冲压力，流线型的车头则可减小这种脉冲压力。此外，两列火车对面急驶而过时，也会相互引起侧向的脉冲压力。这种脉冲压力的大小也和

5、车头的外形有关，流线型车头可减小这种脉冲压力。流线型车体产生的空气噪音也将相应减小。1.2飞机飞行原理飞机是比空气重的飞行器，因此需要消耗自身动力来获得升力。而升力的来源是飞行中空气对机翼的作用。  在下面这幅图里，有一个机翼的剖面示意图。机翼的上表面是弯曲的，下表面是平坦的，因此在机翼与空气相对运动时，流过上表面的空气在同一时间(T)内走过的路程(S1)比流过下表面的空气的路程(S2)远，所以在上表面的空气的相对速度比下表面的空气快(V1=S1/T >V2=S2/T1)。根据伯奴利定理“流体对周围的物质产生的压力与流体的相对速度成反比。”，因此上表面的空气施加给机翼的压力 F

6、1 小于下表面的 F2 。F1、F2 的合力必然向上，这就产生了升力。二、家居生活中的流体力学1.1空调制冷系统中的管路设计家用空调器一般都是采用机械压缩式的制冷装置，其基本的元件共有四件：压缩机、蒸发器、冷凝器和节流装置，四者是相通的，其中充灌着制冷剂（又称制冷工质）。压缩机象一颗奔腾的心脏使得制冷剂如血液一样在空调器中连续不断的流动，实现对房间温度进行调节。制冷管路的设计需要综合考虑以下的因素：最大的制冷量、最低的成本、正常的回油、最小的功率消耗、最小的制冷剂充注量、低噪声、正确的制冷剂流量控制以及系统制冷量能够从0到100%变化而且不会引起任何润滑方面的故障。影响管路设计最主要的两个因素

7、是：管路的压降和流速。制冷剂管路中的压降会降低制冷量和增大功率的消耗，降低能效比，因此应避免过大的压降。液体管路中的压降一般不会直接影响制冷量，但液体管路中的压降必须保证液体在进入节流装置前是饱和液体，液体管路中过大的压降会使液体管路中产生闪发蒸汽，在节流前产生闪发蒸汽会直接影响节流装置控制和调节流量、压降的能力。为减小压降而增大液体管路管径，会引起系统中制冷剂充注量的增加。过量的制冷剂将严重影响制冷剂流量的控制，在制冷系统的低压侧，大量的液态制冷剂的惯性效应将使制冷剂流动控制装置动作失常。在吸排气管和蒸发器管路中更应保持足够的流速，因为油和汽态制冷剂并不容易混合，只有制冷剂流速大到足以携带冷

8、冻油一起移动，油才能在系统中正常循环。另外，在管路设计时应尽量保证停机后两器内的制冷剂液体不能沿管路流动造成制冷剂的迁移（因室内、外温差而造成的制冷剂迁移除外），绝对不允许进入压缩机。对冷凝器位置高于蒸发器的机组，若停机后冷凝器中的制冷剂液体沿管路流进蒸发器，再次开机时，蒸发器出气管就会大量带液，系统无汽分或汽分太小的情况下都有可能对压缩机造成液击。1.2饮食中的流体力学 倒啤酒时的泡沫现象。从瓶子里往杯中倒啤酒，急性子的人，把瓶子拿得很高，让啤酒水柱冲向杯底，结果总是倒满一杯泡沫，待泡沫消失后，杯子里的啤酒却所剩无几。为什么会产生那么多的泡沫呢？通过流体力学，我们给于该现象一个很好的解释，并

9、给出了解决办法。啤酒水柱冲向杯底产生了不均匀流动，由伯努利定律知道，各点上的压强是不同的，速度大的部分压强变小造成二氧化碳溶解度变小，这些速度大的地方便会产生大量的二氧化碳气泡。这就是说，如果你想让啤酒不冒泡地倒满杯子，你就应当在倒的过程中，尽量减小啤酒杯中液体的相对速度，尽可能使注满杯子的过程变为准静态。熟练的服务员则将杯子尽可能倾斜，让啤酒缓慢地沿杯壁流向杯底，再徐徐将杯子倾角调正到竖直的位置，这样可以倒满一杯啤酒而不产生多少泡沫。这种方法一方面降低了啤酒从瓶口到接触杯子这段落差，使啤酒入杯时的动能减小; 另一方面杯子倾斜可以将啤酒柱对杯子的正冲击变为斜冲击，从而减小啤酒接触瞬时

10、的动量改变; 再者斜溜过程，增加啤酒溜到杯底的路程，在这溜的过程中杯壁近处的边界粘性层造成对啤酒的阻力也可以减小啤酒到达杯底的速度。所以它基本上满足尽可能准静态的要求。人们不无诙谐地把这种倒啤酒的窍门总结为三个含谐音的成语：“歪门斜倒(邪道)，杯壁(卑鄙)下流，改斜(邪)归正。 三、运动中的流体力学1.1游泳与流体力学按照流体力学的论述，人在水中游泳时的基本受力情况如图4所示，其中，重力和浮力、阻力和推进力是两对相互对立又相互作用的关系，而阻力和推进力的情况是科学家更加关注的焦点。游泳的阻力，摩擦阻力一当人体在水中向前运动时，身体周边的水沿着身体表面轮廓向身体运动方向相反的方向流动时

11、所产生的阻力，即摩擦阻力。游泳时人体表面为非光滑面，与水接触时会有部分水分子附着于皮肤纹隙中，运动时由于水的内聚力作用即与相邻水层产生摩擦，造成水对人的拉力，也可以说人对水产生了吸力。 形状阻力一物体在水中运动时，由于物体的形状而使水在流经时，造成前后压差增大而形成的，也称压差阻力。形状阻力的大小取决于流体的粘性、物体对水的面积、物体的形状以及水流的速度。由于人体在水面下滑行时，水被人体向三维多个方向挤压而形成不同方向的流动，产生压差。如果相对水流方向的人体轮廓面积越大，那么外形轮廓阻力就越大，结果是身体相对水流方向的轮廓表面形成水流冲击的高压区，而后半部由于低压区的形成造成水流速度加快并伴生

12、湍流，在腿部末端湍流演化形成涡流，而产生负压，出现特有的抽吸效果。形象的比喻，就是把前进的身体向脚后拽。 形状阻力的一个很重要的特点是物体的形状对流经物体的水流有直接的影响。相对水流的物体形状决定了它的阻力系数。非流线型物体由于其不规则的外形轮廓使流经其表面的水流速度出现快慢不一，在物体低凹的表面产生紊流和低压区，如流速加快时，就会产生负压区，导致阻力成平方级数增大。因此，形状阻力的形成，更重要的是物体后面的形状。如果物体后面是平面，物体周围水流的惯性和突然改变体后的水流方向，形成了转速很快的漩涡，而起制动的作用，阻力很大。但如果加长物体，以便填满空洞的地方，有效防止漩涡的形成。漩涡的快速转动

13、，减低了体后的压力。波浪阻力是当物体通过水面或在水下接近水面的位置沿水平面以较快的速度巡航时所产生的一种阻力。如船在水中航行，船头不断地向前排挤它前面的水，船尾后面不断地空出体积来，船头前面多余的水，不断地补充到船尾后面的空体积中，由于水从前向后的不断地补充，造成对船前进的阻力。船头引起向左右丽方面的斜后方传播的横波引起的阻力，叫做波浪阻力，它也是压差阻力的一种。 高水平游泳运动员快速游进时的最大障碍就是波浪阻力。因此，只有采用合理的技术，最大化地克服波浪阻力，才能达到更高的速度。俄罗斯著名游泳教练图列斯基就认为，在游泳时要达到最大的游进速度可以有几种情况：运动员在浪之后、浪之上或浪之前(OV

14、ERSTROK)游进波波夫游进中的身体位置就是在浪之上游进的。也有在浪之前游进的，但很少，一些研究表明如果运动员游进中是在浪之后，那他的游速不可能快于自己的身高，如名将索普的身高为194m，200m自由泳的游进速度是188se，鉴于他的游法，他的速度不会快于2sc，因为他的技术导致他只能产生更大的波浪。他在400Ilfl自由泳的速度是176se，相对于他的身高他用这种技术完成还是可以的。但对于较矮的运动员采用这样的技术要想达到176se的速度就很难了，必须考虑采用另外的技术才行。研究证明，物体的形状、截面、速度及水的密度是影响游泳中阻力的主要因素。科学家在观察海洋中的小海豚时发现，海豚妈妈身后

15、的尾流可以帮助小海豚跟上群体的速度。小海豚总是距母亲身体1030em左右的距离游动，从远处看就像吸附在母亲身上一样。母海豚在游进时使自己身前的水流移动，在小海豚周围制造尾流，就可以使小海豚遇到的阻力减小65%。以此为推论，运动员如皋跟随在别人后面游也可以感受到阻力的减小。四、总结流体及流体力学现象充斥在我们生活的各个方面，如云彩的漂浮、鸟的飞翔、水的流动、波浪的上下起伏、天气变化、风速变化、呼吸空气、说话和声音等普遍存在于我们日常生活中；管道内液体流动、风道内气体的流动、空气阻力和升力、建筑物上风力的作用、土壤内水分的运动、石油通过地质结构的运动、射流、润滑、燃烧、灌溉、冶金、海洋等都是存在于

16、生活及生产各个方面；血液和氧气在人体内的流动，如心脏泵送血液将氧气和营养提供给细胞，将废物带出并保持身体内的均匀温度，肺吸人氧气并排出二氧化碳等使流体力学与生物工程和生命科学相联系；水从地下、湖泊或河流中用泵输送到每家每户的供水系统和废水的排放系统，液体和气体燃料送到炉膛内燃烧产生热水或蒸汽用于供热的供热系统或产生动力的动力系统，通过流体携带将热量从低温送到高温空气中的制冷系统，在炎热的夏季将室内热量送到室外的制冷与空调系统，废液和废气的处理与排放系统等等使流体力学现象与日常生活密切相关；个人计算机冷却系统、水库和导管、城市水处理厂、垃圾焚烧炉和发电厂以及家用电器等等都表明了流体力学及现象无处

17、不在；飞机和船舶的设计不仅要求它们能够在流体中保持住，即使在恶劣的天气下也不会损坏，而且还要求消耗最小的能量以获得最快的速度，汽车设计也是如此；电是我们生活中的不可缺少的能量，绝大多数电能是利用流体机械将燃料的化学能、蓄水的重力能，甚至风的动能转换得到的，所有这些设计和应用都说明流体力学在工程技术和高技术领域的突出应用，与我们人类的生活，甚至人类的发展息息相关。 总之，了解和掌握流体力学知识可以更好地理解和设计，如发电厂系统、化工系统及设备、水供给及处理系统与设备、供热与空调系统、废液和废气处理系统与设备、汽轮机、水泵及风机等流体机械设备、水坝溢水结构、阀门、流量计、水力波的吸收和制止、汽车、飞机、船舶、潜艇、火箭、轴承、人工器官、甚至