一流体力学中的特殊现象

流体流动中的特殊现象
流体流动中的特殊现象
最早的高尔夫球（皮革已龟裂)
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 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
现在的高尔夫球表面有很多窝坑，在同样大小和重量下，飞行距离为光滑球的5倍。
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， 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， 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( 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
数值方法的优点是能计算理论分析方法无 法求解的数学方程，比实验方法省时省钱， 但毕竟是一种近似解方法，适用范围受数 学模型的正确性和计算机的性能所限制。
流体力学的任务与研究方法
三种方法各有优缺点，应取长补短，互为 补充。 l 流体力学不仅有深厚的理论基础，而且 实践性很强。学习流体力学应注意理论与 实践结合，理论分析、实验研究和数值计 算并重。
流体力学的任务与研究方法
流体流动中的特殊现象
在低速时（120英里/小时192km /小时以 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 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 125英里/小时=200 /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
错了！不一定。 一个3英寸（7.6cm)的小球，在风洞的空气 一个3英寸（7.6cm)的小球，在风洞的空气 中吹，速度从0 中吹，速度从0开始，慢慢提高，看到的是 如下的情况：
V速度 80 100 115 140 155 170 英里/ 英里/小时 阻力 1.5 2.4 3.0 2.3 3.1 4.0
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。 1 理论分析方法 理论分析的一般过程是： 建立力学模型，用物理学基本 定律推导流体力学数学方程， 用数学方法求解方程，检验和 解释求解结果。
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 之五
流体流动中的特殊现象
单元 一 二 三 四 五 内容 流体性质及其参数 流体静力学 一元不可压缩流体动力学 流体流动阻力与管路计算 流体流动中的特殊现象 考试 总计 学时 2 4 7 7 2 2 24
（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？ 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
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 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。 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 20世纪50－60年代改进为船型，阻力系数 为0.45。 0.45。
经过近80年的研究改进，汽车阻力系数从0.8降至0.137，阻力减小为原来的1/5 。
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？ 问题四：机翼升力：来自下部还是上部？ 机翼升力 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 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。 足球的香蕉球现象可帮助理解环量理论。
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？ 问题三：汽车阻力：来自前部还是后部？ 汽车发明于19世纪末 世纪末， 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， 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， 早期的汽车后部是陡峭的，称为箱型车， 阻力系数（ 很大，约为0.8。 阻力系数（CD）很大，约为0.8。
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 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， 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。 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 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。 车，阻力系数仅为0.137。
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、非线性流动等数值模拟。大型工程计 算软件已成为研究工程流动问题的有力武 器。
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。
风洞实验（同济大学）
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
单位 单位 单位 单位 单位 单位
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 问题二： 力大？ 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 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Baidu Nhomakorabea皮革制球。