生活中的流体力学

生活中的流体力学

姚**

北京科技大学数理学院，北京，100083

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Sunday, June 10, 2012

摘要：本文介绍了流体力学的基本定理，牛顿黏性定率，并给出了流体力学在生活中的几个利用的例子。

关键字：流体力学生活牛顿流体

1、牛顿粘性定理和非牛流体

英国科学家牛顿于1687年，发表了以水为工作介质的一维剪切流动的实验结果。实验是在两平行平板间充满水时进行的，下平板固定不动，上平板在其自身平面内以等速U向右运动。此时，附着于上、下平板的流体质点的速度，分别是U和0，如图1-1，两平板间的速度呈线性分布，斜率是黏度系数。由此得到了著名的牛顿黏性定律。[1]

图1-1 牛顿粘性定律

而斯托克斯1845年在牛顿粘性定律的基础上，作了应力张量是应变率张量的线性函数、流体各向同性及流体静止时应变率为零的三项假设，从而导出了广泛应用于流体力学研究的线性本构方程，以及被广泛应用的纳维-斯托克斯方程（简称：纳斯方程）。

后来人们在进一步的研究中知道，牛顿黏性实验定律（以及在此基础上建立的纳斯方程），对于描述像水和空气这样低分子量的简单流体是适合的，而对描述具有高分子量的流体就不合适了，那时剪应力与剪切应变率之间己不再满足线

性关系。为区别起见，人们将剪应力与剪切应变率之间满足线性关系的流体称为牛顿流体，而把不满足线性关系的流体称为非牛顿流体。人身上的血液、淋巴液、囊液等多种体液，以及像细胞质那样的“半流体”，都属于非牛顿流体。

2、几个生活中流体力学应用的例子

2.1、汽车设计上的流体力学

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。

以汽车为例，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。

图2-1-1 鱼型图2-1-2 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以及驾驶室与货箱之间空间的影响。他有三种形式：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%，第一种已被大量采用，第二种用得比较广，第三种使用的有限。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的导流不与车下部分突出的构建相互作用，从而可使汽车的气动阻力降低10%~15%。车身前侧导流罩和前侧翼板，这俩种装置都在车身前部分的流线形，可以改善车身部分的流线形，使汽车的气动阻力分别降低10%~15%和5%~10%。

导流罩对卡车的气动特性有很大的影响。卡车要采用辅助措施使其有平滑的过渡面，是其表面外形不易产生涡流。最重要的是导流罩的处理，应由到气流平顺的流过顶盖。厢式货车安装导流罩可使汽车表面的流谱发生重要变化，流谱的改变可大幅度的减小气动阻力，对减阻节能意义重大。[2]

2.2、游泳中的流体力学

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。

图2-2-1 游泳中的流体力学

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。

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，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。

2.3、猫喝水用到的流体力学知识

人们都知道猫喝水时会先伸出舌头，舌头前端卷曲，如同字母“J”。麻省理工学院、弗吉尼亚理工大学和普林斯顿大学研究人员反复播放高速摄影机拍摄的家猫喝水画面后发现，与人们先前所知不同，猫的舌头不是完全浸入水中，而是在舌尖碰到水面后迅速收回，这样，在运动的舌头和水面中间就会形成一道细小的水柱。水柱随着猫舌“ 飞”向猫咪的口腔，此时，猫会闭上嘴巴，既喝到“送上门”的水，又不会弄湿下巴。

图2-3-1 小猫喝水中的流体力学

细小水柱由重力与惯性间微妙的平衡形成：重力把水向下“拉”，惯性让水保持向猫舌头收缩方向前进。猫科动物以这种方式喝水是本能。家猫喝水时，平均每秒能伸缩舌头四次，每次可以喝到 0.1毫升水。为保持重力和惯性间平衡，大型猫科动物伸缩舌头的频率稍慢。

普林斯顿大学机械与航空工程系博士杰弗里·阿里斯托夫说：“猫科动物每