流體力學(xué)體驗阻力-流動阻力與計算(1)：繞物動力及減阻

工程流體力學(xué)流體流動阻力4.體驗阻力流體流動阻力（一）從塔科馬大橋談起上世紀(jì)三十末年代，美國在華盛頓州的塔科瑪峽谷上花費640萬美元，建造了一座主跨度853.4米的懸索橋：塔科馬海峽吊橋（TacomaNarrowsBridge），大橋于1940年7月1日建成通車。里昂·莫伊塞弗塔科馬海峽吊橋1940年7月1日通車東邊橋（2007年建）和西邊橋（1950年建）風(fēng)何以有如此大的威力？繞物體流動——阻力與升力繞流作用阻力作用力：消耗動力：控制物體運動穩(wěn)定、操控、破壞速度、能源、經(jīng)濟(jì)斯托克斯阻力公式

低雷諾數(shù)（Re<1）u0DFDGu重力繞流阻力浮力勻速下降——懸浮速度Re<1問題與思考空氣粘度：17.9×10-6Pa·S，20℃

按斯托克斯阻力公式計算，當(dāng)球體直徑為0.5m，風(fēng)速為35m/s時，阻力僅為0.003N。1904年L.Prandtl在德國海登堡第三屆國際數(shù)學(xué)大會上提出邊界層概念LudwigPrandtl(1875-1953)“論粘性很小的流體運動”邊界層的基本概念邊界層：物體壁面附近存在大的速度梯度的薄層。邊界層是在實際流體的大雷諾數(shù)流動中，緊貼固壁存在的一個粘性起主導(dǎo)作用的薄流層。兩類不同性質(zhì)的流動：（1）物體邊界附近薄層由于粘性力作用，有很大的速度梯度du/dy——邊界層（附面層）；（2）邊界層以外的流動，粘性力作用不計——理想流體無旋流動（勢流）邊界層分離與壓差阻力逆向壓力梯度順向壓力梯度曲面繞流與平板繞流不同，由于存在?p／?x>0的逆壓區(qū)，處于逆壓區(qū)中邊界層內(nèi)的流速剖面會順流變得越來越狹窄，緊貼壁面的流體越走越慢，壁面切應(yīng)力則越來越小，直到分離點處，壁面切應(yīng)力降為零，即，邊界層內(nèi)的流體質(zhì)點開始脫離壁面，此后便會發(fā)生流體沿著壁面‘回流’的現(xiàn)象，這樣邊界層中從上游流來的流體在到達(dá)分離點時，受到堆積和回流的影響，只能被擠向主流，離開壁面，這就是邊界層的分離。旋渦根本原因：粘性分離條件：逆向壓力梯度邊界層分離邊界層分離的必要充分條件由于在分離點后的回流區(qū)、旋渦區(qū)中壓強(qiáng)大大下降，導(dǎo)致繞流物體前后的壓差，形成壓差阻力，也可稱為形狀阻力。壓差阻力取決于分離點的位置和尾流區(qū)的大小。繞物體流動的阻力包括摩擦阻力和壓差阻力兩部分。摩擦阻力與物體表面積大小有關(guān)，壓差阻力與物體的形狀有關(guān)系。寬圓柱半管半管方柱平板橢柱橢柱球半球半球方塊方塊矩形板(長/寬=5)二元物型

104～1051.2

4×1041.2

4×1042.3

3.5×1042.0

104×1061.98

1×1050.46

2×1050.20三元物型

104～1050.47

104～1050.42

104～1051.17

104～1051.05

104～1050.80

103～1051.208:12:1物體流速210210210210阻力12.64.09.3噴氣v配重砝碼改變噴氣速度，阻力的變化光滑球和粗糙球?qū)Ρ葀阻力湍流邊界層光滑球粗糙球邊界層分離推遲邊界層分離較早1911(1881-1963)卡門渦街平穩(wěn)水流繞過物體后，會交替形成二列向內(nèi)旋轉(zhuǎn)的序列渦。應(yīng)用舉例升力阻力攻角馬格努斯效應(yīng)magnuseffect212121121212推進(jìn)力橫流力導(dǎo)流板飛機(jī)的機(jī)翼擾流板副翼襟翼副翼