医用物理学02章流体的运动.pptVIP

雷诺实验演示 湍流 层流 过渡流 飞机的风洞实验 汽车的风洞实验 运动员在进行风洞实验 低速封闭风洞 * * * * * * * * * 人体循环系统各类血管中的血压 泊肃叶公式 由图可知,要使管内的黏性液体作匀速运动,必须有外力来抵消液体的内摩擦力,这个外力就是来自管道两端的压强差. 均匀水平管中黏性流体的压强分布 1840年泊肃叶通过大量实验证明,在水平均匀的细长玻璃圆管内作层流的不可压缩黏性流体,其体积流量 Q 与管道两端压强梯度 及管半径 R 的四次方成正比,即 泊肃叶 (J. L. M. Poiseuille，1799-1869) 法国生理学家. 若令 或 Rf 称为流阻,医学上称为血流阻力.流阻的国际制单位是Pa·s·m-3 (帕·秒·米-3). 则 三. 物体在黏性流体中的阻力 静止流体中的物体受到浮力的作用,黏性流体中的运动物体(根据运动的相对性,也可以看成是物体静止,流体运动)则会受到阻力作用.由流体的黏滞性所导致的这种阻力,表现为直接的黏性摩擦阻力与间接的压差阻力. 黏性摩擦阻力 流体与物体作相对运动时,物体表面附着了一层流体(附面层,即边界层),附面层内的流体存在速率梯度,层内与物体相接触的流体微团的流速为零,层外侧的流体微团则具有流体的速度,层与层之间存在内摩擦力,表现为对物体的黏性摩擦阻力.附面层外可近似为无黏性流场. 当物体速度不大或个体较小时,物体所受到的黏性摩擦阻力与速度成正比,即 F = k v 斯托克斯阻力公式 1851年斯托克斯研究了小球在黏性很大的液体中缓慢运动时所受到的阻力问题,给出计算阻力的公式 斯托克斯 (G.G.Stokes, 1819-1903)英国力学家、数学家. 让半径为 r 的小球在黏性流体中自由下沉,开始时,小球受到方向向下的重力和方向向上的浮力作用,重力大于浮力,小球加速下降.随着速度的增加,黏性摩擦阻力逐渐增大. 当小球的下降速度达到一定值时,重力、浮力和黏性摩擦阻力三力平衡,小球匀速下降,小球这时的速度称为终极速度(terminal velocity)或沉降速度(sedimentation velocity),用vT表示. 若小球的密度为 ? ,流体的密度为 ?′,则小球所受的重力为 ,浮力为 ,黏性摩擦阻力为 6? ?rvT ,小球达到终极速度时,三力平衡,有 终极速度 当小球(例如空气中的尘粒,雾中的小雨滴,黏性液体中的细胞、大分子、胶粒等)在黏性流体中下沉时,终极速度与小球的大小、黏性流体与小球的密度差、重力加速度成正比.对于非常微小的颗粒(细胞、大分子、胶粒),可利用高速或超速离心机来增加有效 g 值,加快其沉降速度. 离心分离 用 代替g ? ? ? 对于混合悬浮液体,根据斯托克斯公式,可采用增加悬浮介质黏度、密度和减小悬浮颗粒尺寸的方法,来降低液体流速,提高其流动的稳定性. 涡旋尾流 当物体运动速度增大,因黏性的作用,在物体的后部,附面层的流体质元减速并从物体表面脱落(流动分离). 流动分离旋涡脱落 物体前方的流体不能及时填充物体后的空间,导致已流到后方的外层流体回旋过来补充,使物体的后部出现涡旋尾流区. 流动分离现象 圆球尾流中的卡门涡街 压差阻力 由于物体前部流体的相对流速几乎为零,压强大,涡旋区通常是低压区,因此,伴随着涡流的产生,物体前后之间产生压强差,出现阻碍物体运动的压差阻力. 压差阻力也是因流体的黏性产生的,但与黏性摩擦阻力有不同机制,它们同时存在.对于高速运动,涡旋一旦产生,压差阻力将取代黏性摩擦阻力成为阻碍物体运动的主要因素. 压差阻力主要取决于流体流到物体后半段时,能否紧贴物体表面流动.流体脱离物体表面越早,涡旋尾流区越大,压差阻力就越大. 不同流动状态下流动分离的位置不同 实验发现,物体后段的截面积缓慢减小,附面层流体微元可以较长时间地附着在物体表面,压差阻力也就越小. 有同样阻力的不同物体 所以高速运动的物体,如航空器、车船等都被设计成能减少涡旋产生的收缩尾部——流线型. 动物与流线型 粗糙球与光滑球的阻力差异 小球在运动时,流体在小球的背面都将产生分离,这个分离是压差阻力产生的主要原因.低速时,两球都处于层流,两者的分离点大致相同,因而有大致相同的压差阻力, 但粗糙表面增加了摩擦力阻力,所以粗糙球的总阻力比光滑球的要大. 不同表面的球在不同风速下所受阻力 当流速达到一定值(A点)时,由于粗糙球的表面粗糙,流动不稳定,较早进入湍流状态.在湍流状态,物体表面附近能量交换显著,分离点将向后移动,产生的 尾迹较小,粗糙球的压差阻力明显降低,对小球形状的物体,压差阻力比摩擦阻力大得多,所以总阻力会下降