生活中的流体力学知识研究报告

工程流体力学三级项目报告multinuclear program design Experiment Report

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摘要

简要介绍了流体力学在生活中的应用，涉及到体育，工业，生活小窍门等。讨论了一些流体力学原理。许许多多的现象都与流体力学有关。为什么洗衣机老翻衣兜？倒啤酒要注意什么诀窍？高尔夫球为什么是麻脸的？本文将就以上三个问题讨论流体力学中一些简单的原理，如伯努力定律，雷诺数，边界层分离等，展现流体力学的广泛应用，证明流体力学妙趣横生。

关键字：伯努利定律;层流;湍流;空气阻力;雷诺数;高尔夫球

前言

也许，到现在你都有点不会相信，其实我们生活在一个流体的世界里。观察生活时我们总可以发现。生活离不开流体，尤其是在社会高速发展的今天。鹰击长空，鱼翔浅底；汽车飞奔，乒乓极旋，许许多多的现象都与流体力学有关。为什么洗衣机老翻衣兜？倒啤酒要注意什么诀窍？高尔夫球为什么是麻脸的？本文将就以上三个问题讨论流体力学中一些简单的原理，如伯努力定律，雷诺数，边界层分离等，展现流体力学的广泛应用，证明流体力学妙趣横生。生活中的很多事物都在经意或不经意中巧妙地掌握和运用了流体力学的原理，让其行动变得更灵活快捷。

一、麻脸的高尔夫球（用雷诺数定量解释）

不知道大家有没有发现，高尔夫球的表面做成有凹点的粗糙表面，而不是平滑光趟的表面，就是利用粗糙度使层流转变为紊流的临界雷诺数减小，使流动变为紊流，以减小阻力的实际应用例子。最初，高尔夫球表面是做成光滑的，如图1—1，后来发现表面破损的旧球

图1-1光滑面 1-2粗糙面

反而打的更远。原来是临界Re数不同的结果。光滑的球由于这种边界层分离得早，形成的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，因此人们不得不把高尔夫球做成麻脸的，即表面布满了圆形的小坑。麻脸的高尔夫球有小坑，飞行时小坑附近产生了一些小漩涡，由于这些小漩涡的吸力，高尔夫球附近的流体分子

被漩涡吸引，边界层的分离点就推后许多，这时在高尔夫球后面所形成的大漩涡区便比光滑的球所形成漩涡区小很多，从而使得前后压差所形成的阻力大为减小。实际上，对光滑的高尔夫球，一杆子最多飞行数十米，而麻脸的高尔夫球一杆子可以飞行二百多米。可见高尔夫球麻脸的减阻效应是非常明显的。

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:图所示的就是粗糙与光滑表面的球的阻力系数Cd随Re 变化规律的实验结果。由图可知光滑球和粗糙球的阻力系数Cd随Re 变化有一个突降点。这种现象可解释如下:以光滑球为例，突降点在Re=3x10E5即a点附近，当Re<3x10E5 时，边界层为层流状态，当Re>3x10E5时，脱体点附近已是湍流边界层，由于层内和层外流体通过脉动发生强烈的动量交换，所以动量较大的边界层外部流体将有力的帮助层内流体克服逆压和粘性滞带作用而向前运

动，这样推迟了脱体现象的发生，从而缩小尾涡区，使压差阻力大大减小。一般高尔夫球运动员，击球速度可达 v。=61.0 m/s (球的质量=0.046 kg，直径d=0.042 6 m(将此速度和标准压力下20空气的黏度μ=1.810×N/S*m 、密度ρ

=1.205 kg/m 代入可算得雷诺数Re=1.73×10E5(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(分别对应图的c点和d点)(结果说明，在球的大小、初速度和质量均相同的条件下，粗糙球所受阻力近似是光滑球的一半，所以麻脸高尔夫球比光滑的飞的更远些。

二、游泳（水流体压力平衡）

同样在游泳的时候，也受到流体的作用。游泳是在水中进行的周期性运动。人在水中的漂浮能力与身体所持姿势直接相关。身体保持流线型（吸足气），使重心与水的浮心接近一条直线，就能漂浮较长时间；如果先吸足气，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。因此，游泳不但要充分利用水的浮力，如图2-

1所示。而且要尽量减少失去浮力的时间，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的阻力作用。游泳得阻力包括水的摩擦阻力、波浪阻力和物体得形状阻力。设流线型物体的阻力为1，那么其他形状物体的阻力就大几倍至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的反作用力，这个力就叫推进力。游泳就是靠臂绕肩关节和腿绕髋关节，以复杂的弧线做圆周运动。根据圆周运动的有关原理，角速度相等时，半径越长线速度越大。所以，游泳运动过程中，距肩和髋最远的手和脚的速度最大。臂划水的作用面是手掌和前臂，腿打、踢水的作用面主要是脚面和小腿前侧；腿蹬夹水的主要作用面则是脚和小腿内侧。增加这些部位对水的横切面（如佩带蹼具等），就能产生更大的推进力。

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的汽车，更是与流体力学的巧妙结合。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。实际上汽车阻力主要来自后部形成的尾流，称为形状阻力。其车型如3-1.

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，如图3-2，阻力系数降至0.6。20世纪50－60年代改进为船型，如图3-3，阻力系数为

0.45。80年代经过风洞实验系统研究后，又改进为鱼型，如

图3-4，阻力系数为0.3，以后进一步改进为楔型，如图3-5，阻力系数为0.2。90年代后，科研人员研制开发的未来型汽车，如图3-6，阻力系数仅为0.137。可以说汽车的发展历程就是代表了流体力学不断完善的过程。

图3-2 甲壳虫型图3-3 船型

以卡车为例，影响和提升汽车的动力特性的装置主要的是它的导流罩。研究表明，在厢式货车上安装导流罩，可以大幅度的降低气动阻力、节省燃料消耗。安装导流罩使得气动阻力系数曲线上的临界雷诺数增大:设置薄壁式的导流罩底边和驾驶室顶面之间的间隙，可以增强导流罩的减阻效果。在厢式货车尾部安装涡流稳定器，可以降低尾涡区内气流能量的消耗，使静压回升，压差阻力减小。