生活中的流体力学知识研究应用报告.docx

工程流体力学三级项目汇报 multinuclear program design Experiment Report项目名称： 班 级： 姓 名： 指导老师： 日 期：摘要简明介绍了流体力学在生活中应用，包含到体育，工业，生活小窍门等。讨论了部分流体力学原理。许很多多现象全部和流体力学相关。为何洗衣机老翻衣兜？倒啤酒要注意什么诀窍？高尔夫球为何是麻脸？本文将就以上三个问题讨论流体力学中部分简单原理，如伯努力定律，雷诺数，边界层分离等，展现流体力学广泛应用，证实流体力学妙趣横生。关键字：伯努利定律;层流;湍流;空气阻力;雷诺数;高尔夫球序言可能，到现在你全部有点不会相信，其实我们生活在一个流体世界里。观察生活时我们总能够发觉。生活离不开流体，尤其是在社会高速发展今天。鹰击长空，鱼翔浅底；汽车飞奔，乒乓极旋，许很多多现象全部和流体力学相关。为何洗衣机老翻衣兜？倒啤酒要注意什么诀窍？高尔夫球为何是麻脸？本文将就以上三个问题讨论流体力学中部分简单原理，如伯努力定律，雷诺数，边界层分离等，展现流体力学广泛应用，证实流体力学妙趣横生。生活中很多事物全部在经意或不经意中巧妙地掌握和利用了流体力学原理，让其行动变得更灵活快捷。一、麻脸高尔夫球（用雷诺数定量解释）不知道大家有没有发觉，高尔夫球表面做成有凹点粗糙表面，而不是平滑光趟表面，就是利用粗糙度使层流转变为紊流临界雷诺数减小，使流动变为紊流，以减小阻力实际应用例子。最初，高尔夫球表面是做成光滑，图11，以后发觉表面破损旧球 图1-1光滑面 1-2粗糙面反而打更远。原来是临界Re数不一样结果。光滑球因为这种边界层分离得早，形成前后压差阻力就很大，所以高尔夫球在由皮革改用塑胶后飞行距离便大大缩短了，所以大家不得不把高尔夫球做成麻脸，即表面充满了圆形小坑。麻脸高尔夫球有小坑，飞行时小坑周围产生了部分小漩涡，因为这些小漩涡吸力，高尔夫球周围流体分子被漩涡吸引，边界层分离点就推后很多，这时在高尔夫球后面所形成大漩涡区便比光滑球所形成漩涡区小很多，从而使得前后压差所形成阻力大为减小。实际上，对光滑高尔夫球，一杆子最多飞行数十米，而麻脸高尔夫球一杆子能够飞行二百多米。可见高尔夫球麻脸减阻效应是很显著。 用雷诺数定量解释上文中从微观涡旋角度定性解释了高尔夫球麻脸原因，下面将从具体雷诺数定量解释:图所表示就是粗糙和光滑表面球阻力系数Cd随Re 改变规律试验结果。由图可知光滑球和粗糙球阻力系数Cd随Re 改变有一个突降点。这种现象可解释以下:以光滑球为例，突降点在Re=3x10E5即a点周围，当Re3x10E5时，脱体点周围已是湍流边界层，因为层内和层外流体经过脉动发生强烈动量交换，所以动量较大边界层外部流体将有力帮助层内流体克服逆压和粘性滞带作用而向前运动，这么推迟了脱表现象发生，从而缩小尾涡区，使压差阻力大大减小。通常高尔夫球运动员，击球速度可达 v。=61.0 m/s (球质量=0.046 kg，直径d=0.042 6 m(将此速度和标准压力下20空气黏度=1.810N/S*m 、密度=1.205 kg/m 代入可算得雷诺数Re=1.7310E5(由此查图l可知，粗糙球阻力系数Cd=0.26， 光滑球阻力系数Cd=0.48(分别对应图c点和d点)(结果说明，在球大小、初速度和质量均相同条件下，粗糙球所受阻力近似是光滑球二分之一，所以麻脸高尔夫球比光滑飞更远些。二、游泳（水流体压力平衡）一样在游泳时候，也受到流体作用。游泳是在水中进行周期性运动。人在水中漂浮能力和身体所持姿势直接相关。身体保持流线型（吸足气），使重心和水浮心靠近一条直线，就能漂浮较长时间；假如先吸足气，双臂却紧贴体侧，胸腔虽充足气，但下肢相对上身比重较大，下肢很快就会下沉。所以，游泳不仅要充足利用水浮力，图2-1所表示。而且要尽可能降低失去浮力时间，如头不要抬得太高，身体不能起伏转动太大，空中移臂时间宜短等。 游泳者游进时受到相反方向阻力作用。游泳得阻力包含水摩擦阻力、波浪阻力和物体得形状阻力。设流线型物体阻力为1，那么其它形状物体阻力就大几倍至100倍。推进力是指做臂划水或腿打水（蹬夹水）动作时给水一个作用力，水就给人体一个力量大小相等反作用力，这个力就叫推进力。游泳就是靠臂绕肩关节和腿绕髋关节，以复杂弧线做圆周运动。依据圆周运动相关原理，角速度相等时，半径越长线速度越大。所以，游泳运动过程中，距肩和髋最远手和脚速度最大。臂划水作用面是手掌和前臂，腿打、踢水作用面关键是脚面和小腿前侧；腿蹬夹水关键作用面则是脚和小腿内侧。增加这些部位对水横切面（如佩带蹼具等），就能产生更大推进力。 图2-1 图3-1 箱型车三、汽车领域（伯努利定律）在我们身边来来往往飞驰汽车，更是和流体力学巧妙结合。汽车发明于19世纪末，当初大家认为汽车阻力关键来自前部对空气撞击，所以早期汽车后部是陡峭，称为箱型车，阻力系数（CD）很大，约为0.8。实际上汽车阻力关键来自后部形成尾流，称为形状阻力。其车型如3-1.20世纪30年代起，大家开始利用流体力学原理改善汽车尾部形状，出现甲壳虫型，图3-2，阻力系数降至0.6。20世纪5060年代改善为船型，图3-3，阻力系数为0.45。80年代经过风洞试验系统研究后，又改善为鱼型，图3-4，阻力系数为0.3，以后深入改善为楔型，图3-5，阻力系数为0.2。90年代后，科研人员研制开发未来型汽车，图3-6，阻力系数仅为0.137。能够说汽车发展历程就是代表了流体力学不停完善过程。 图3-2 甲壳虫型 图3-3 船型以卡车为例，影响和提升汽车动力特征装置关键是它导流罩。研究表明，在厢式货车上安装导流罩，能够大幅度降低气动阻力、节省燃料消耗。安装导流罩使得气动阻力系数曲线上临界雷诺数增大:设置薄壁式导流罩底边和驾驶室顶面之间间隙，能够增强导流罩减阻效果。在厢式货车尾部安装涡流稳定器，能够降低尾涡区内气流能量消耗，使静压回升，压差阻力减小。 图3-4 鱼型 图3-5 楔型前上部导流罩装在驾驶室顶上，能将迎面气流导向车顶和侧围，消除或向高出驾驶室顶部和驾驶室和货箱之间空间影响。她有三种形式：板罩式，立体式和涡流凹板式，三种形式分别可使气动阻力降低20%30%，25%35%，15%20%，第一个已被大量采取，第二种用得比较广，第三种使用有限。前下部导流罩和前侧阻翼板，俩者均装在保险杠上，下部导流罩使进入车下导流不和车下部分突出构建相互作用，从而可使汽车气动阻力降低10%15%。车身前侧导流罩和前侧翼板，这俩种装置全部在车身前部分流线形，能够改善车身部分流线形，使汽车气动阻力分别降低10%15%和5%10%。车身前端面和锥形分流器 图3-6 未来车型及驾驶室和车身之间隔板，这种装置部分或全部地挡住驾驶室和货厢只见空隙，以消除侧风影响，前者使气动阻力降低5%10%用得相当广；后者使气动阻力降低10%15%但用得相当少。导流罩对卡车气动特征有很大影响。卡车要采取辅助方法使其有平滑过渡面，是其表面外形不易产生涡流。最关键是导流罩处理，应由到气流平顺流过顶盖。厢式货车安装导流罩可使汽车表面流谱发生关键改变，流谱改变可大幅度减小气动阻力，对减阻节能意义重大。四、生活中牛顿流体对于牛顿流体，英国科学家牛顿于1687年，发表了以水为工作介质一维剪切流动试验结果。试验是在两平行平板间充满水时进行，下平板固定不动，上平板在其本身平面内以等速U向右运动。此时，附着于上、下平板流体质点速度，分别是U和0，图4-1，两平板间速度呈线性分布，斜率是黏度系数。由此得到了著名牛顿黏性定律。 图4-1 牛顿流动定律斯托克斯1845年在牛顿这一试验定律基础上，作了应力张量是应变率张量线性函数、流体各向同性及流体静止时应变率为零三项假设，从而导出了广泛应用于流体力学研究线性本构方程，和被广泛应用纳维-斯托克斯方程（简称：纳斯方程）。 以后大家在深入研究中知道，牛顿黏性试验定律（和在此基础上建立纳斯方程），对于描述像水和空气这么低分子量简单流体是适合，而对描述含有高分子量流体就不适宜了，那时剪应力和剪切应变率之间己不再满足线性关系。为区分起见，大家将剪应力和剪切应变率之间满足线性关系流体称为牛顿流体，而把不满足线性关系流体称为非牛顿流体。因为对血液而言，剪应力和剪切应变率之间己不再是线性关系，己无法只给出一个斜率（即黏度）来说明血液力学特征，只好作血流变学测试，给出二者间非线性关系。 形形色色非牛顿流体 ，早在人类出现之前，非牛顿流体就己存在，因为绝大多数生物流体全部属于现在所定义非牛顿流体。人身上血液、淋巴液、囊液等多个体液，和像细胞质那样“半流体”，全部属于非牛顿流体。五、倒啤酒诀窍从瓶子里往杯中倒啤酒，急性子人，把瓶子拿得很高，有点象倒大碗茶似地，让啤酒水柱冲向杯底，结果总是倒满一杯泡沫，泡沫流淌得一桌子，待泡沫消失后，杯子里啤酒却所剩无几。熟练服务员则将杯子尽可能倾斜，将瓶口紧靠杯沿，让啤酒缓慢地沿杯壁流向杯底，伴随杯子里啤酒增多，再渐渐将杯子倾角调正到竖直位置，这么能够倒满一杯啤酒而不产生多少泡沫。大家不无诙谐地把这种倒啤酒窍门总结为三个含谐音成语:“歪门斜倒(邪道)，杯壁(卑劣)下流，改斜(邪)归正。我们把前面说两种倒啤酒方法称为直冲式和斜溜式。为何斜溜式产生泡沫少，而直冲式倒法产生泡沫多呢？静止在杯中啤酒，压强各处基础上是均匀，上层压强略小于杯底，所以也是表面冒泡稍多。不过假如杯里啤酒产生了不均匀流动，则各点上压强是不一样，从流体力学伯努利定律知道，沿一根流线，速度大局部压强小。这些速度大地方便会产生大量二氧化碳气泡。为了说明这一事实，取一杯静止新鲜啤酒，我们看到它基础上不冒气泡。假如用一根筷子一搅，就会发觉在筷子运动尾部会冒出大量气泡，正是那里压强较低缘故。假如把筷子在杯里作圆形搅动，使杯中啤酒旋转起来， 拿出筷子，啤酒在杯中形成旋涡，理论分析知道旋涡中心压强小，所以那里还有一串气泡，像在陆地上看到龙卷风一样，很有趣。这就是说，假如你想让啤酒不冒泡地倒满杯子，你就应该在倒过程中，尽可能减小啤酒杯中液体相对速度，尽可能使注满杯子过程变为准静态。前面说直冲式之所以不适用，就是因为这种方法使啤酒柱有较大动量，从而杯中啤酒速度差加大，而且形成大量小旋涡。而斜溜式，首先降低了啤酒从瓶口到接触杯子这段落差，使啤酒入杯时动能减小; 其次杯子倾斜能够将啤酒柱对杯子正冲击变为斜冲击，从而减小啤酒接触瞬时动量改变; 再者斜溜过程，增加啤酒溜到杯底旅程，在这溜过程中杯壁近处边界粘性层造成对啤酒阻力也能够减小啤酒抵达杯底速度。所以它基础上满足尽可能准静态要求整个过程中泡沫较少。六、洗衣机为何老翻衣兜（伯努利原理）常见洗衣机洗衣服人全部有一个体验，即洗衣机把衣服洗完后，衣服兜常常被翻过来。兜里假如原来有钢币钥匙或别东西，也会被掏出来，这是怎么回事？基础原理就是伯努利定律。定律以下: 对于不变动流场，在一条流线上，流体质点速度和在这点压强成反比。通俗地说,也就是流速越大压强越小。具体而言:沿一根流线，设流体质点速度为V,密度为，这点压强为p,它们之间关系为:当洗衣机转动时，衣服兜口周围流体有一个相当速度，而衣服兜底部流体速度要小，这是因为裤兜底部是在裤筒里，上衣衣兜底部也是裹在衣服里头，所以那里流体相对衣服速度要小得多。依据伯努利定律，衣兜底部压强就比衣兜口周围大，这种压差就会驱使水从衣兜底部流向衣兜口，这种流动就足以把衣兜翻过来。参考文件 1 美 吉 尔 沃 克 ， 生 活 中 物 理 学 M 徐婉华，叶庆桐译北 京科学普及版 社 ， 1984 2姜 兴 华 等 ， 流 体 力 学 M 成 全部 晒 南 交 通 大 学 出 版 社 ， 1999 3 赵 金 保 球 类 运 动 中 流 体 力 学 问 题 J 力 学 和 实 践 ， 1988 4杨 宝 胜 ， 王 淑 惠 ， 仰 角 取 何 值 时 铅 球 掷 得 最 远 物 理 通 报 J ， 1990 5 刘 雅 君 高 尔 夫 球 射 程 问 题 分 析 。 大 学 物 理 ，H