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1、流体力学 之五流体流动中的特殊现象,（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？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,错了！不一定。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：,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，当时人们认为表面光滑的球飞行阻力小，
2、因此用皮革制球。,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。,流体流动中的特殊现象,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=200 192km/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,问题三：汽车阻力：来自前部还是后部
3、？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。,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,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，,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。,流体流动中的特殊现象,90年代
4、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,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？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,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
5、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(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,流体力学的任务与研究方法,流体
6、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
7、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,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,
