一流体力学中的特殊现象(37页).ppt

流体力学 之五流体流动中的特殊现象 （五） 流体流动中的特殊现象 人类虽然长期生活在空气和水环境中，对一些流体运动现象却缺乏认识，现举一些例子来说明。 问题一：球的阻力如何随速度而变化？ 不言而喻：速度越大阻力也越大！ 对吗？ 流体流动中的特殊现象 错了！不一定。 一个3英寸（7.6cm)的小球，在风洞的空气中吹，速度从0开始，慢慢提高，看到的是如下的情况： 流体流动中的特殊现象 以图表示 流体流动中的特殊现象 问题二：表面光滑还是粗糙 的小球哪个阻力大？ 不言而喻：表面越粗糙阻力也就越大！ 流体流动中的特殊现象 又错了！还是不一定。 高尔夫球运动起源于15世纪的苏格兰，当时人们认为表面光滑的球飞行阻力小，因此用皮革制球。 流体流动中的特殊现象 流体流动中的特殊现象 流体流动中的特殊现象 后来发现表面有很多划痕的旧球反而飞得更远，这个谜直到20世纪建立流体力学边界层理论后才解开。 流体流动中的特殊现象 流体流动中的特殊现象 在低速时（120英里/小时192km /小时以下），光滑球(3.5英寸=8.89cm)比轻微粗糙球阻力较小。在某一确定临界速度之上（125英里/小时=200 192km /小时），粗糙球的阻力突然变得小于光滑球的阻力。 流体流动中的特殊现象 问题三：汽车阻力：来自前部还是后部？ 汽车发明于19世纪末，当时人们认为汽车的阻力主要来自前部对空气的撞击，因此早期的汽车后部是陡峭的，称为箱型车，阻力系数（CD）很大，约为0.8。 ? 流体流动中的特殊现象 实际上汽车阻力主要来自后部形成的尾流，称为形状阻力 流体流动中的特殊现象 20世纪30年代起，人们开始运用流体力学原理改进汽车尾部形状，出现甲壳虫型，阻力系数降至0.6。 流体流动中的特殊现象 20世纪50－60年代改进为船型，阻力系数为0.45。 流体流动中的特殊现象 80年代经过风洞实验系统研究后，又改进为鱼型，阻力系数为0.3， 流体流动中的特殊现象 ?以后进一步改进为楔型，阻力系数为0.2。 流体流动中的特殊现象 90年代后，科研人员研制开发的未来型汽车，阻力系数仅为0.137。 流体流动中的特殊现象 目前，在汽车外形设计中流体力学性能研究已占主导地位，合理的外形使汽车具有更好的动力学性能和更低的耗油率。 流体流动中的特殊现象 问题四：机翼升力：来自下部还是上部？ 人们的直观印象是空气从下面冲击着鸟的翅膀，把鸟托在空中。 19世纪初建立的流体力学环量理论，彻底改变了人们的传统观念。 流体流动中的特殊现象 旋转的球带动空气形成环流，一侧气体加速，另一侧减速，形成压差力，使足球拐弯，称为马格努斯效应 机翼的特殊形状使它不用旋转就能产生环量，上部流速加快形成吸力，下部流速减慢形成压力，两者合成形成升力 流体流动中的特殊现象 测量和计算表明，上部吸力的贡献远比下部要大。 流体力学的任务与研究方法 流体力学的任务 丰富多彩的流动图案背后隐藏着复杂的力学规律，具有高度智慧的人类为揭示流动奥秘建立了流体力学学科， ? 流体力学的任务与研究方法 研究和解决生产、科研、生活中的流体运动问题就是流体力学的任务。 航空、航天、造船、机械、动力(包括核动力)、冶金、化工、石油、建筑等部门的设备中工作介质都是流体，为了改进流程、提高效率，需要流体力学的知识。 ? 流体力学的任务与研究方法 流体力学的任务与研究方法 流体力学研究方法 流体力学的研究方法分三个方面。 流体力学的任务与研究方法 流体力学的任务与研究方法 目前流体力学理论研究的主攻方向是： 湍流、流动稳定性、涡运动、水动力学、 水波动力学、复杂流动、多相流动等。 理论分析结果能揭示流动的内在规律， 具有普遍适用性，但分析范围有限。 流体力学的任务与研究方法 2 实验方法 实验研究的一般过程是： 在相似理论的指导下建立模拟实验系统， 用流体测量技术测量流动参数， 处理和分析实验数据。 流体力学的任务与研究方法 流体力学的任务与研究方法 典型的流体力学实验有：风洞实验、水洞实验、水池实验等。 流体力学的任务与研究方法 测量技术有：热线、激光测速；粒子图像、迹线测速；高速摄影；全息照相；压力、密度测量等。 现代测量技术在计算机、光学和图像技术配合下，在提高空间分辨率和实时测量方面已取得长足进步。 实验结果能反映工程中的实际流动规律，发现新现象，检验理论结果等，但结果的普适性较差。 流体力学的任务与研究方法 3 数值方法 数值研究的一般过程是：对流体力学数学方程作简化和数值离散化，编制程序作数值计算，将计算结果与实验结果比较。 流体力学的任务与研究方法 常用的方法有：有限差分法、有限元法、有限体积法、边界元法、谱分析法等。 计算的内容包括：飞机、汽车、河道、桥梁、涡轮机等流场计算；湍流、流动稳定性、非线性流