工程流体力学-第7章-粘性流体绕物体的流动.ppt

阻力系数： 式中 FD——物体受到的绕流阻力； CD——绕流阻力因数； U∞——未受干扰时的来流速度； ?——流体的密度； A——物体与来流垂直方向的迎流投影面积。 第7章 粘性流体绕物体的流动 典型的二维和三维物体的阻力系数 宽 圆 柱 半 管 半 管 方 柱 平 板 椭 柱 椭 柱 球 半 球 半 球 方 块 方 块 矩 形 板(长/宽=5) 二维物体 ? ? 104 ～ 105 1.2 ? 4 ×104 1.2 ? 4 ×104 2.3 ? 3.5×104 2.0 ? 104 ～ 106 1.98 ? 1×105 0.46 ? 2 ×105 0.20 三维物体 ? ? 104 ～105 0.47 ? 104 ～105 0.42 ? 104 ～105 1.17 ? 104 ～105 1.05 ? 104 ～105 0.80 ? 103 ～105 1.20 8 : 1 2 : 1 第7章 粘性流体绕物体的流动 CD主要由以下因素决定：Re数、物体的形状、物体表面粗糙度等，多由实验确定。 层流边界层容易分离， 湍流边界层不易分离 （分离点后移）。 3. 分离流动的特性 光滑圆柱 粗糙圆柱 光滑圆球 极慢流动 低 Re 数 中 Re 数 层流 BL 高 Re 数 湍流BL 阻力危机 第7章 粘性流体绕物体的流动 圆柱绕流 : Re＜1，无分离，只有摩擦阻力 2＜Re＜30，对称尾迹区，摩擦阻力、压差阻力相当 (c) 40＜Re＜90，对称涡摆动，摩擦阻力、压差阻力相当 (d) 90＜Re＜300，卡门涡街，尾涡处与向湍流过渡状态，压差阻力为主 (e) 300＜Re＜ 2×105，边界层为层流，尾迹为湍流状态，分离点前移 (f) Re3.0×105，边界层转变为湍流，分离点后移至±110?，尾迹为浑沌状态，涡街不明显。 (a) (b) (d) (f) (e) 第7章 粘性流体绕物体的流动 (c) 涡激振动 第7章 粘性流体绕物体的流动 【例】圆柱形烟囱，高H=20m，直径d=0.6m，当风以速度U0=18m/s横向吹过时，求烟囱受到的总推力。设空气的密度? =1.21kg/m3，运动黏度 v =15.7×10-6m2/s。 【解】绕圆柱形烟囱流动的雷诺数 烟囱受到的总推力，即为绕流阻力 查得绕流阻力系数 第7章 粘性流体绕物体的流动 【例】气球质量为0.32kg，直径d=1m，以U0=3.7m/s的速度在静止空气中上升， （1）试确定它的阻力系数； （2）若用绳子固定此气球于空中，气流水平速度为3.5m/s，试确定绳子的张力和斜角。设空气的密度? =1.25kg/m3 ，运动黏度v =14.7×10-6m2/s 。 0 U D F G b F T θ x z 第7章 粘性流体绕物体的流动 【解】 （1）当气球在静 止空气中上升时，它受到的三个力大小分别是 重力（方向向下） 浮力（方向向上） 阻力（方向与运动方向相反） 当气球作匀速运动时，以上三个力在铅垂方向的投影之和等于零，即 FD G b F x z 第7章 粘性流体绕物体的流动 故 阻力因数 此时流动雷诺数 第7章 粘性流体绕物体的流动 （2）将气球用绳子固定，气球受到的力大小为 浮力 （方向向下） （方向向上） 重力 0 U D F G b F T θ x z 风的推力 由于流动的雷诺数 此时的雷诺数同(1)相近， CD取0.488。 第7章 粘性流体绕物体的流动 故 列x方向的投影式 与水平方向的夹角 解得绳子张力 列z方向的投影式 即 第7章 粘性流体绕物体的流动 涡激振动 流场模型 物体运动模型 第7章 粘性流体绕物体的流动 略 流线 涡量等值线 流场压力分布 St—— Strouhal 数，是Re数的函数，中高Re数时，圆柱绕流St=0.2~0.22 f—— 涡脱落频率；D——圆柱直径； U——来流速度 第7章 粘性流体绕物体的流动 略 结 束 第7章 粘性流体绕物体的流动 第7章作业 7-1,3,5～9 第7章 粘性流体绕物体的流动 2-3截面：流入 1-4截面：无对流 y x u0 δ 0 dx 1 4 2 3 第7章 粘性流体绕物体的流动 整个微元控制体内的净动量变化速率为流出与流入之差，即 （2） u0 y x δ 0 dx 1 4 2 3 第7章 粘性流体绕物体的流动 u0 y x δ 0 dx 1 4 2 3 作用在控制体 x 方向上的力（取 x 坐标