一流体力学中的特殊现象课件

（五）（五）流体流动中的特殊现象流体流动中的特殊现象n n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。n n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？n n不言而喻：速度越大阻力也越大！n n对吗？（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1 1流体流动中的特殊现象流体流动中的特殊现象n n错了！不一定。n n一个3英寸（7.6cm)的小球，在风洞的空气中吹，速度从0开始，慢慢提高，看到的是如下的情况：V V速度速度英里英里/小小时时阻力阻力80801.51.5单位单位1001002.42.4单位单位1151153.03.0单位单位1401402.32.3单位单位1551553.13.1单位单位1701704.04.0单位单位流体流动中的特殊现象错了！不一定。V速度英里/小时阻2 2流体流动中的特殊现象流体流动中的特殊现象n n以图表示流体流动中的特殊现象以图表示3 3流体流动中的特殊现象流体流动中的特殊现象n n问题二：表面光滑还是粗糙问题二：表面光滑还是粗糙的小球哪个阻的小球哪个阻力大？力大？n n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4 4流体流动中的特殊现象流体流动中的特殊现象n n又错了！还是不一定。n n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，因此用皮革制球。流体流动中的特殊现象又错了！还是不一定。5 5流体流动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6 6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最早的高尔夫球（皮革已龟裂)7 7流体流动中的特殊现象流体流动中的特殊现象n n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界层理论后才解开。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8 8流体流动中的特殊现象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9 9流体流动中的特殊现象流体流动中的特殊现象n n在低速时（120英里/小时192km/小时以下），光滑球(3.5英寸=8.89cm)比轻微粗糙球阻力较小。在某一确定临界速度之上（125英里/小时=200192km/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在低速时（120英里/小时192km/1010流体流动中的特殊现象流体流动中的特殊现象n n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？n n汽车发明于汽车发明于19世纪末，当时人们认为汽车世纪末，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（阻力系数（CD D）很大，约为）很大，约为0.8。n n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？1111流体流动中的特殊现象流体流动中的特殊现象n n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实际上汽车阻力主要来自后部形成的尾流，称1212流体流动中的特殊现象流体流动中的特殊现象n n20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。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1313流体流动中的特殊现象流体流动中的特殊现象n n20世纪5060年代改进为船型，阻力系数为0.45。流体流动中的特殊现象20世纪5060年代改进为船型，阻力系1414流体流动中的特殊现象流体流动中的特殊现象n n80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，流体流动中的特殊现象80年代经过风洞实验系统研究后，又改进为1515流体流动中的特殊现象流体流动中的特殊现象n n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以后进一步改进为楔型，阻力系数为0.21616流体流动中的特殊现象流体流动中的特殊现象n n90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。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90年代后，科研人员研制开发的未来型汽车1717流体流动中的特殊现象流体流动中的特殊现象n n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目前，在汽车外形设计中流体力学性能研究已1818流体流动中的特殊现象流体流动中的特殊现象n n问题四：机翼升力：来自下部还是上部？机翼升力：来自下部还是上部？n n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。n n19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四：机翼升力：来自下部还是上部？足1919流体流动中的特殊现象流体流动中的特殊现象n n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n n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旋转的球带动空气形成环流，一侧气体加速，2020流体流动中的特殊现象流体流动中的特殊现象n n测量和计算表明，上部吸力的贡献远比下部要大。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2121流体力学的任务与研究方法n n流体力学的任务流体力学的任务n n丰富多彩的流动图案背后隐藏着复杂的力丰富多彩的流动图案背后隐藏着复杂的力学规律，具有高度智慧的人类为揭示流动学规律，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，n n流体力学的任务与研究方法流体力学的任务2222流体力学的任务与研究方法n n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。n n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。n n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2323流体力学的任务与研究方法流体力学的任务与研究方法2424流体力学的任务与研究方法n n流体力学研究方法流体力学研究方法n n流体力学的研究方法分三个方面。1 1 理论分析方法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研究方法1理论分析方法2525流体力学的任务与研究方法流体力学的任务与研究方法2626流体力学的任务与研究方法n n目前流体力学理论研究的主攻方向是：n n湍流、流动稳定性、涡运动、水动力学、n n水波动力学、复杂流动、多相流动等。n n理论分析结果能揭示流动的内在规律，n n具有普遍适用性，但分析范围有限。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：2727流体力学的任务与研究方法n n2实验方法实验方法n n实验研究的一般过程是：n n在相似理论的指导下建立模拟实验系统，n n用流体测量技术测量流动参数，n n处理和分析实验数据。流体力学的任务与研究方法2实验方法2828流体力学的任务与研究方法流体力学的任务与研究方法2929流体力学的任务与研究方法n n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典型的流体力学实验有：风洞实验、水洞3030流体力学的任务与研究方法n n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。n n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。n n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测量技术有：热线、激光测速；粒子图像3131流体力学的任务与研究方法n n3数值方法n n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3数值方法3232流体力学的任务与研究方法n n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。n n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、3333流体力学的任务与研究方法n n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数值方法的优点是能计算理论分析方法无3434流体力学的任务与研究方法n n三种方法各有优缺点，应取长补短，互为补充。n nl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三种方法各有优缺点，应取长补短，互为3535流体力学的任务与研究方法流体力学的任务与研究方法3636