生活中的流體力學(xué)知識(shí)研究報(bào)告

1、 工程流體力學(xué)三級(jí)項(xiàng)目報(bào)告 multinuclear program design Experiment Report項(xiàng)目名稱(chēng)： 班 級(jí)： 姓 名： 指導(dǎo)教師： 日 期：摘要簡(jiǎn)要介紹了流體力學(xué)在生活中的應(yīng)用，涉及到體育，工業(yè)，生活小竅門(mén)等。討論了一些流體力學(xué)原理。許許多多的現(xiàn)象都與流體力學(xué)有關(guān)。為什么洗衣機(jī)老翻衣兜？倒啤酒要注意什么訣竅？高爾夫球?yàn)槭裁词锹槟樀模勘疚膶⒕鸵陨先齻€(gè)問(wèn)題討論流體力學(xué)中一些簡(jiǎn)單的原理，如伯努力定律，雷諾數(shù)，邊界層分離等，展現(xiàn)流體力學(xué)的廣泛應(yīng)用，證明流體力學(xué)妙趣橫生。關(guān)鍵字：伯努利定律;層流;湍流;空氣阻力;雷諾數(shù);高爾夫球前言也許，到現(xiàn)在你都有點(diǎn)不會(huì)相信，其實(shí)我們生活

2、在一個(gè)流體的世界里。觀察生活時(shí)我們總可以發(fā)現(xiàn)。生活離不開(kāi)流體，尤其是在社會(huì)高速發(fā)展的今天。鷹擊長(zhǎng)空，魚(yú)翔淺底；汽車(chē)飛奔，乒乓極旋，許許多多的現(xiàn)象都與流體力學(xué)有關(guān)。為什么洗衣機(jī)老翻衣兜？倒啤酒要注意什么訣竅？高爾夫球?yàn)槭裁词锹槟樀模勘疚膶⒕鸵陨先齻€(gè)問(wèn)題討論流體力學(xué)中一些簡(jiǎn)單的原理，如伯努力定律，雷諾數(shù)，邊界層分離等，展現(xiàn)流體力學(xué)的廣泛應(yīng)用，證明流體力學(xué)妙趣橫生。生活中的很多事物都在經(jīng)意或不經(jīng)意中巧妙地掌握和運(yùn)用了流體力學(xué)的原理，讓其行動(dòng)變得更靈活快捷。一、麻臉的高爾夫球（用雷諾數(shù)定量解釋?zhuān)┎恢来蠹矣袥](méi)有發(fā)現(xiàn)，高爾夫球的表面做成有凹點(diǎn)的粗糙表面，而不是平滑光趟的表面，就是利用粗糙度使層流轉(zhuǎn)變?yōu)槲?/p>

3、流的臨界雷諾數(shù)減小，使流動(dòng)變?yōu)槲闪鳎詼p小阻力的實(shí)際應(yīng)用例子。最初，高爾夫球表面是做成光滑的，如圖11，后來(lái)發(fā)現(xiàn)表面破損的舊球 圖1-1光滑面 1-2粗糙面反而打的更遠(yuǎn)。原來(lái)是臨界Re數(shù)不同的結(jié)果。光滑的球由于這種邊界層分離得早，形成的前后壓差阻力就很大，所以高爾夫球在由皮革改用塑膠后飛行距離便大大縮短了，因此人們不得不把高爾夫球做成麻臉的，即表面布滿了圓形的小坑。麻臉的高爾夫球有小坑，飛行時(shí)小坑附近產(chǎn)生了一些小漩渦，由于這些小漩渦的吸力，高爾夫球附近的流體分子被漩渦吸引，邊界層的分離點(diǎn)就推后許多，這時(shí)在高爾夫球后面所形成的大漩渦區(qū)便比光滑的球所形成漩渦區(qū)小很多，從而使得前后壓差所形成的阻力大

4、為減小。實(shí)際上，對(duì)光滑的高爾夫球，一桿子最多飛行數(shù)十米，而麻臉的高爾夫球一桿子可以飛行二百多米。可見(jiàn)高爾夫球麻臉的減阻效應(yīng)是非常明顯的。 用雷諾數(shù)定量解釋上文中從微觀渦旋角度定性解釋了高爾夫球麻臉原因，下面將從具體雷諾數(shù)定量解釋:圖所示的就是粗糙與光滑表面的球的阻力系數(shù)Cd隨Re 變化規(guī)律的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。由圖可知光滑球和粗糙球的阻力系數(shù)Cd隨Re 變化有一個(gè)突降點(diǎn)。這種現(xiàn)象可解釋如下:以光滑球?yàn)槔?，突降點(diǎn)在Re=3x10E5即a點(diǎn)附近，當(dāng)Re<3x10E5 時(shí)，邊界層為層流狀態(tài)，當(dāng)Re>3x10E5時(shí)，脫體點(diǎn)附近已是湍流邊界層，由于層內(nèi)和層外流體通過(guò)脈動(dòng)發(fā)生強(qiáng)烈的動(dòng)量交換，所以動(dòng)量較大

5、的邊界層外部流體將有力的幫助層內(nèi)流體克服逆壓和粘性滯帶作用而向前運(yùn)動(dòng)，這樣推遲了脫體現(xiàn)象的發(fā)生，從而縮小尾渦區(qū)，使壓差阻力大大減小。一般高爾夫球運(yùn)動(dòng)員，擊球速度可達(dá) v。=61.0 m/s (球的質(zhì)量=0.046 kg，直徑d=0.042 6 m(將此速度和標(biāo)準(zhǔn)壓力下20空氣的黏度=1.810×N/S*m 、密度=1.205 kg/m 代入可算得雷諾數(shù)Re=1.73×10E5(由此查圖l可知，粗糙球阻力系數(shù)Cd=0.26， 光滑球阻力系數(shù)Cd=0.48(分別對(duì)應(yīng)圖的c點(diǎn)和d點(diǎn))(結(jié)果說(shuō)明，在球的大小、初速度和質(zhì)量均相同的條件下，粗糙球所受阻力近似是光滑球的一半，所以麻臉高爾

6、夫球比光滑的飛的更遠(yuǎn)些。二、游泳（水流體壓力平衡）同樣在游泳的時(shí)候，也受到流體的作用。游泳是在水中進(jìn)行的周期性運(yùn)動(dòng)。人在水中的漂浮能力與身體所持姿勢(shì)直接相關(guān)。身體保持流線型（吸足氣），使重心與水的浮心接近一條直線，就能漂浮較長(zhǎng)時(shí)間；如果先吸足氣，雙臂卻緊貼體側(cè)，胸腔雖充足氣，但下肢相對(duì)上身比重較大，下肢很快就會(huì)下沉。因此，游泳不但要充分利用水的浮力，如圖2-1所示。而且要盡量減少失去浮力的時(shí)間，如頭不要抬得太高，身體不能起伏轉(zhuǎn)動(dòng)太大，空中移臂時(shí)間宜短等。 游泳者游進(jìn)時(shí)受到相反方向的阻力作用。游泳得阻力包括水的摩擦阻力、波浪阻力和物體得形狀阻力。設(shè)流線型物體的阻力為1，那么其他形狀物體的阻力就大

7、幾倍至100倍。推進(jìn)力是指做臂劃水或腿打水（蹬夾水）動(dòng)作時(shí)給水一個(gè)作用力，水就給人體一個(gè)力量大小相等的反作用力，這個(gè)力就叫推進(jìn)力。游泳就是靠臂繞肩關(guān)節(jié)和腿繞髖關(guān)節(jié)，以復(fù)雜的弧線做圓周運(yùn)動(dòng)。根據(jù)圓周運(yùn)動(dòng)的有關(guān)原理，角速度相等時(shí)，半徑越長(zhǎng)線速度越大。所以，游泳運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，距肩和髖最遠(yuǎn)的手和腳的速度最大。臂劃水的作用面是手掌和前臂，腿打、踢水的作用面主要是腳面和小腿前側(cè)；腿蹬夾水的主要作用面則是腳和小腿內(nèi)側(cè)。增加這些部位對(duì)水的橫切面（如佩帶蹼具等），就能產(chǎn)生更大的推進(jìn)力。 圖2-1 圖3-1 箱型車(chē)三、汽車(chē)領(lǐng)域（伯努利定律）在我們身邊來(lái)來(lái)往往飛馳的汽車(chē)，更是與流體力學(xué)的巧妙結(jié)合。汽車(chē)發(fā)明于19世紀(jì)末

8、，當(dāng)時(shí)人們認(rèn)為汽車(chē)的阻力主要來(lái)自前部對(duì)空氣的撞擊，因此早期的汽車(chē)后部是陡峭的，稱(chēng)為箱型車(chē)，阻力系數(shù)（CD）很大，約為0.8。實(shí)際上汽車(chē)阻力主要來(lái)自后部形成的尾流，稱(chēng)為形狀阻力。其車(chē)型如3-1. 20世紀(jì)30年代起，人們開(kāi)始運(yùn)用流體力學(xué)原理改進(jìn)汽車(chē)尾部形狀，出現(xiàn)甲殼蟲(chóng)型，如圖3-2，阻力系數(shù)降至0.6。20世紀(jì)5060年代改進(jìn)為船型，如圖3-3，阻力系數(shù)為0.45。80年代經(jīng)過(guò)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)研究后，又改進(jìn)為魚(yú)型，如圖3-4，阻力系數(shù)為0.3，以后進(jìn)一步改進(jìn)為楔型，如圖3-5，阻力系數(shù)為0.2。90年代后，科研人員研制開(kāi)發(fā)的未來(lái)型汽車(chē)，如圖3-6，阻力系數(shù)僅為0.137?？梢哉f(shuō)汽車(chē)的發(fā)展歷

9、程就是代表了流體力學(xué)不斷完善的過(guò)程。  圖3-2 甲殼蟲(chóng)型 圖3-3 船型以卡車(chē)為例，影響和提升汽車(chē)的動(dòng)力特性的裝置主要的是它的導(dǎo)流罩。研究表明，在廂式貨車(chē)上安裝導(dǎo)流罩，可以大幅度的降低氣動(dòng)阻力、節(jié)省燃料消耗。安裝導(dǎo)流罩使得氣動(dòng)阻力系數(shù)曲線上的臨界雷諾數(shù)增大:設(shè)置薄壁式的導(dǎo)流罩底邊和駕駛室頂面之間的間隙，可以增強(qiáng)導(dǎo)流罩的減阻效果。在廂式貨車(chē)尾部安裝渦流穩(wěn)定器，可以降低尾渦區(qū)內(nèi)氣流能量的消耗，使靜壓回升，壓差阻力減小。 圖3-4 魚(yú)型 圖3-5 楔型前上部導(dǎo)流罩裝在駕駛室頂上，能將迎面氣流導(dǎo)向車(chē)頂和側(cè)圍，消除或向高出駕駛室頂部以及駕駛室與貨箱之間空間的影響。他有三種形式：板罩式，立體式

10、和渦流凹板式，三種形式分別可使氣動(dòng)阻力降低20%30%，25%35%，15%20%，第一種已被大量采用，第二種用得比較廣，第三種使用的有限。前下部導(dǎo)流罩和前側(cè)阻翼板，倆者均裝在保險(xiǎn)杠上，下部導(dǎo)流罩使進(jìn)入車(chē)下的導(dǎo)流不與車(chē)下部分突出的構(gòu)建相互作用，從而可使汽車(chē)的氣動(dòng)阻力降低10%15%。車(chē)身前側(cè)導(dǎo)流罩和前側(cè)翼板，這倆種裝置都在車(chē)身前部分的流線形，可以改善車(chē)身部分的流線形，使汽車(chē)的氣動(dòng)阻力分別降低10%15%和5%10%。車(chē)身前端面和錐形分流器 圖3-6 未來(lái)車(chē)型及駕駛室與車(chē)身之間的隔板，這種裝置部分或全部地?fù)踝●{駛室與貨廂只見(jiàn)的空隙，以消除側(cè)風(fēng)的影響，前者使氣動(dòng)阻力降低5%10%用得相當(dāng)廣；后者使

11、氣動(dòng)阻力降低10%15%但用得相當(dāng)少。導(dǎo)流罩對(duì)卡車(chē)的氣動(dòng)特性有很大的影響?？ㄜ?chē)要采用輔助措施使其有平滑的過(guò)渡面，是其表面外形不易產(chǎn)生渦流。最重要的是導(dǎo)流罩的處理，應(yīng)由到氣流平順的流過(guò)頂蓋。廂式貨車(chē)安裝導(dǎo)流罩可使汽車(chē)表面的流譜發(fā)生重要變化，流譜的改變可大幅度的減小氣動(dòng)阻力，對(duì)減阻節(jié)能意義重大。四、生活中的牛頓流體對(duì)于牛頓流體，英國(guó)科學(xué)家牛頓于1687年，發(fā)表了以水為工作介質(zhì)的一維剪切流動(dòng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。實(shí)驗(yàn)是在兩平行平板間充滿水時(shí)進(jìn)行的，下平板固定不動(dòng)，上平板在其自身平面內(nèi)以等速U向右運(yùn)動(dòng)。此時(shí)，附著于上、下平板的流體質(zhì)點(diǎn)的速度，分別是U和0，如圖4-1，兩平板間的速度呈線性分布，斜率是黏度系數(shù)。由

12、此得到了著名的牛頓黏性定律。 圖4-1 牛頓流動(dòng)定律斯托克斯1845年在牛頓這一實(shí)驗(yàn)定律的基礎(chǔ)上，作了應(yīng)力張量是應(yīng)變率張量的線性函數(shù)、流體各向同性及流體靜止時(shí)應(yīng)變率為零的三項(xiàng)假設(shè)，從而導(dǎo)出了廣泛應(yīng)用于流體力學(xué)研究的線性本構(gòu)方程，以及被廣泛應(yīng)用的納維-斯托克斯方程（簡(jiǎn)稱(chēng)：納斯方程）。 后來(lái)人們?cè)谶M(jìn)一步的研究中知道，牛頓黏性實(shí)驗(yàn)定律（以及在此基礎(chǔ)上建立的納斯方程），對(duì)于描述像水和空氣這樣低分子量的簡(jiǎn)單流體是適合的，而對(duì)描述具有高分子量的流體就不合適了，那時(shí)剪應(yīng)力與剪切應(yīng)變率之間己不再滿足線性關(guān)系。為區(qū)別起見(jiàn)，人們將剪應(yīng)力與剪切應(yīng)變率之間滿足線性關(guān)系的流體稱(chēng)為牛頓流體，而把不滿足線性關(guān)系的流體稱(chēng)為非

13、牛頓流體。因?yàn)閷?duì)血液而言，剪應(yīng)力與剪切應(yīng)變率之間己不再是線性關(guān)系，己無(wú)法只給出一個(gè)斜率（即黏度）來(lái)說(shuō)明血液的力學(xué)特性，只好作血流變學(xué)測(cè)試，給出二者間的非線性關(guān)系。 形形色色的非牛頓流體 ，早在人類(lèi)出現(xiàn)之前，非牛頓流體就己存在，因?yàn)榻^大多數(shù)生物流體都屬于現(xiàn)在所定義的非牛頓流體。人身上的血液、淋巴液、囊液等多種體液，以及像細(xì)胞質(zhì)那樣的“半流體”，都屬于非牛頓流體。五、倒啤酒的訣竅從瓶子里往杯中倒啤酒，急性子的人，把瓶子拿得很高，有點(diǎn)象倒大碗茶似地，讓啤酒水柱沖向杯底，結(jié)果總是倒?jié)M一杯泡沫，泡沫流淌得一桌子，待泡沫消失后，杯子里的啤酒卻所剩無(wú)幾。熟練的服務(wù)員則將杯子盡可能傾斜，將瓶口緊靠杯沿，讓啤酒

14、緩慢地沿杯壁流向杯底，隨著杯子里啤酒增多，再徐徐將杯子傾角調(diào)正到豎直的位置，這樣可以倒?jié)M一杯啤酒而不產(chǎn)生多少泡沫。人們不無(wú)詼諧地把這種倒啤酒的竅門(mén)總結(jié)為三個(gè)含諧音的成語(yǔ):“歪門(mén)斜倒(邪道)，杯壁(卑鄙)下流，改斜(邪)歸正。我們把前面說(shuō)的兩種倒啤酒的方法稱(chēng)為直沖式與斜溜式。為什么斜溜式產(chǎn)生的泡沫少，而直沖式的倒法產(chǎn)生的泡沫多呢？靜止在杯中的啤酒，壓強(qiáng)各處基本上是均勻的，上層壓強(qiáng)略小于杯底，所以也是表面冒泡稍多。但是如果杯里的啤酒產(chǎn)生了不均勻流動(dòng)，則各點(diǎn)上的壓強(qiáng)是不同的，從流體力學(xué)伯努利定律知道，沿一根流線，速度大的局部壓強(qiáng)小。這些速度大的地方便會(huì)產(chǎn)生大量的二氧化碳?xì)馀荨榱苏f(shuō)明這一事實(shí)，取一杯

15、靜止的新鮮啤酒，我們看到它基本上不冒氣泡。如果用一根筷子一攪，就會(huì)發(fā)現(xiàn)在筷子運(yùn)動(dòng)的尾部會(huì)冒出大量氣泡，正是那里壓強(qiáng)較低的緣故。如果把筷子在杯里作圓形攪動(dòng)，使杯中啤酒旋轉(zhuǎn)起來(lái)， 拿出筷子，啤酒在杯中形成旋渦，理論分析知道旋渦中心壓強(qiáng)小，所以那里還有一串氣泡，像在陸地上看到的龍卷風(fēng)一樣，非常有趣。這就是說(shuō)，如果你想讓啤酒不冒泡地倒?jié)M杯子，你就應(yīng)當(dāng)在倒的過(guò)程中，盡量減小啤酒杯中液體的相對(duì)速度，盡可能使注滿杯子的過(guò)程變?yōu)闇?zhǔn)靜態(tài)。前面說(shuō)的直沖式之所以不適用，就是因?yàn)檫@種方式使啤酒柱有較大的動(dòng)量，從而杯中的啤酒速度差加大，而且形成大量的小旋渦。而斜溜式，一方面降低了啤酒從瓶口到接觸杯子這段落差，使啤酒入杯

16、時(shí)的動(dòng)能減小; 另一方面杯子傾斜可以將啤酒柱對(duì)杯子的正沖擊變?yōu)樾睕_擊，從而減小啤酒接觸瞬時(shí)的動(dòng)量改變; 再者斜溜過(guò)程，增加啤酒溜到杯底的路程，在這溜的過(guò)程中杯壁近處的邊界粘性層造成對(duì)啤酒的阻力也可以減小啤酒到達(dá)杯底的速度。所以它基本上滿足盡可能準(zhǔn)靜態(tài)的要求整個(gè)過(guò)程中泡沫較少。六、洗衣機(jī)為什么老翻衣兜（伯努利原理）常用洗衣機(jī)洗衣服的人都有一種體驗(yàn)，即洗衣機(jī)把衣服洗完后，衣服的兜常常被翻過(guò)來(lái)。兜里如果原來(lái)有鋼幣鑰匙或別的東西，也會(huì)被掏出來(lái)，這是怎么回事？基本原理就是伯努利定律。定律如下: 對(duì)于不變動(dòng)的流場(chǎng)，在一條流線上，流體質(zhì)點(diǎn)的速度與在這點(diǎn)的壓強(qiáng)成反比。通俗地說(shuō),也就是流速越大壓強(qiáng)越小。具體而言:沿一根流線，設(shè)流體質(zhì)點(diǎn)的速度為V,密度為，這點(diǎn)的壓強(qiáng)為p,它們之間關(guān)系為:當(dāng)洗衣機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，衣服兜口附近的流體有一個(gè)相當(dāng)?shù)乃俣?，而衣服兜的底部流體的速度要小，這是因?yàn)檠澏档牡撞渴窃谘澩怖铮弦碌囊露档撞恳彩枪谝路镱^，所以那里的流體相對(duì)衣服的速度要小得多。根據(jù)伯努利定律，衣兜底部的壓強(qiáng)就比衣兜口附近的大，這種壓差就會(huì)驅(qū)使水從衣兜底部流向衣兜口，這種流動(dòng)就足以把衣兜翻過(guò)來(lái)。參考文獻(xiàn) 1 美 吉 爾 · 沃 克