生活中的流體力學(xué)知識研究報告

項目名稱:班級:姓名:指導(dǎo)教師:日期:工程流體力學(xué)三級項目報告multinuclearprogramdesignExperimentReport摘要簡要介紹了流體力學(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)。為什么洗衣機老翻衣兜？倒啤酒要注意什么訣竅？高爾夫球為什么是麻臉的？本文將就以上三個問題討論流體力學(xué)中一些簡單的原理，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);高爾夫球刖言也許，到現(xiàn)在你都有點不會相信，其實我們生活在一個流體的世界里。觀察生活時我們總可以發(fā)現(xiàn)。生活離不開流體，尤其是在社會高速發(fā)展的今天。鷹擊長空，魚翔淺底；汽車飛奔，乒乓極旋，許許多多的現(xiàn)象都與流體力學(xué)有關(guān)。為什么洗衣機老翻衣兜？倒啤酒要注意什么訣竅？高爾夫球為什么是麻臉的？本文將就以上三個問題討論流體力學(xué)中一些簡單的原理，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用了流體力學(xué)的原理，讓其行動變得更靈活快捷、麻臉的高爾夫球（用雷諾數(shù)定量解釋）不知道大家有沒有發(fā)現(xiàn)，高爾夫球的表面做成有凹點的粗糙表面，而不是平滑光趟的表面，就是利用粗糙度使層流轉(zhuǎn)變?yōu)槲闪鞯呐R界雷諾數(shù)減小，使流動變?yōu)槲闪?，以減小阻力的實際應(yīng)用例子。最初，高爾夫球表面是做成光滑的，如圖1—1,后來發(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,邊界層的分離點就推后許多，這時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為減小。實際上，對光滑的高爾夫球，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?？梢姼郀柗蚯蚵槟樀臏p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)律的實驗結(jié)果。由圖可知光滑球和粗糙球的阻力系數(shù)Cd隨Re變化有一個突降點。這種現(xiàn)象可解釋如下：以光滑球為例，突降點在Re=3x10E5即a點附近，當(dāng)Re<3x10E5時，邊界層為層流狀態(tài)，當(dāng)Re>3x10E5時，脫體點附近已是湍流邊界層，由于層內(nèi)和層外流體通過脈動發(fā)生強烈的動量交換，所以動量較大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動，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動員，擊球速度可達(dá)v。=61.0m/s（球的質(zhì)量=0.046kg，直徑d=0.0426m（將此速度和標(biāo)準(zhǔn)壓力下20空氣的黏度尸1.810XN/S*m、密度p=1.205kg/m代入可算得雷諾數(shù)Re=1.73Xl0E5（由此查圖I可知，粗糙球阻力系數(shù)Cd=0.26,光滑球阻力系數(shù)Cd=0.48（分別對應(yīng)圖的c點和d點）（結(jié)果說明，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）同樣在游泳的時候，也受到流體的作用。游泳是在水中進行的周期性運動。人在水中的漂浮能力與身體所持姿勢直接相關(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，就能漂浮較長時間；如果先吸足氣，雙臂卻緊貼體側(cè)，胸腔雖充足氣，但下肢相對上身比重較大，下肢很快就會下沉。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間，如頭不要抬得太高，身體不能起伏轉(zhuǎn)動太大，空中移臂時間宜短等。

游泳者游進時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幾倍至100倍。推進力是指做臂劃水或腿打水（蹬夾水）動作時給水一個作用力，水就給人體一個力量大小相等的反作用力，這個力就叫推進力。游泳就是靠臂繞肩關(guān)節(jié)和腿繞髖關(guān)節(jié)，以復(fù)雜的弧線做圓周運動。根據(jù)圓周運動的有關(guān)原理，角速度相等時，半徑越長線速度越大。所以，游泳運動過程中，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)。增加這些部位對水的橫切面（如佩帶蹼具等），就能產(chǎn)生更大的推進力。圖2-1圖3-1圖2-1三、汽車領(lǐng)域（伯努利定律）在我們身邊來來往往飛馳的汽車，更是與流體力學(xué)的巧妙結(jié)合。汽車發(fā)明于19世紀(jì)末，當(dāng)時人們認(rèn)為汽車的阻力主要來自前部對空氣的撞擊，因此早期的汽車后部是陡峭的，稱為箱型車，阻力系數(shù)（CD很大，約為0.8。實際上汽車阻力主要來自后部形成的尾流，稱為形狀阻力。其車型如3-1.20世紀(jì)30年代起，人們開始運用流體力學(xué)原理改進汽車尾部形狀，出現(xiàn)甲殼蟲型，如圖3-2，阻力系數(shù)降至0.6。20世紀(jì)50－60年代改進為船型，如圖3-3，阻力系數(shù)為0.45。80年代經(jīng)過風(fēng)洞實驗系統(tǒng)研究后，又改進為魚型，如圖3-4，阻力系數(shù)為0.3，以后進一步改進為楔型，如圖3-5，阻力系數(shù)為0.2。90年代后，科研人員研制開發(fā)的未來型汽車，如圖3-6，阻力系數(shù)僅為0.137?？梢哉f汽車的發(fā)展歷程就是代表了流體力學(xué)不斷完善的過程圖3-2甲殼蟲型圖3-3船型以卡車為例，影響和提升汽車的動力特性的裝置主要的是它的導(dǎo)流罩。研究表明，在廂式貨車上安裝導(dǎo)流罩，可以大幅度的降低氣動阻力、節(jié)省燃料消耗。安裝導(dǎo)流罩使得氣動阻力系數(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，可以增強導(dǎo)流罩的減阻效果。在廂式貨車尾部安裝渦流穩(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，立體式和渦流凹板式，三種形式分別可使氣動阻力降低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，倆者均裝在保險杠上，下部導(dǎo)流罩使進入車下的導(dǎo)流不與車下部分突出的構(gòu)建相互作用，從而可使汽車的氣動阻力降低10%~15%車身前側(cè)導(dǎo)流罩和前側(cè)翼板，這倆種裝置都在車身前部分的流線形，可以改善車身部分的流線形，使汽車的氣動阻力分別降低10%~15和5%~10%車身前端面和錐形分流器圖3-6未來車型及駕駛室與車身之間的隔板，這種裝置部分或全部地?fù)踝●{駛室與貨廂只見的空隙，以消除側(cè)風(fēng)的影響，前者使氣動阻力降低5%~10%用得相當(dāng)廣；后者使氣動阻力降低10%~15%但用得相當(dāng)少。導(dǎo)流罩對卡車的氣動特性有很大的影響?？ㄜ囈捎幂o助措施使其有平滑的過渡面，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頂蓋。廂式貨車安裝導(dǎo)流罩可使汽車表面的流譜發(fā)生重要變化，流譜的改變可大幅度的減小氣動阻力，對減阻節(jié)能意義重大。四、生活中的牛頓流體對于牛頓流體，英國科學(xué)家牛頓于1687年，發(fā)表了以水為工作介質(zhì)的一維剪切流動的實驗結(jié)果。實驗是在兩平行平板間充滿水時進行的，下平板固定不動，上平板在其自身平面內(nèi)以等速U向右運動。此時，附著于上、下平板的流體質(zhì)點的速度，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)。由此得到了著名的牛頓黏性定律。r=7/(dv/dr)=77x圖4-1牛頓流動定律斯托克斯1845年在牛頓這一實驗定律的基礎(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應(yīng)變率為零的三項假設(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（簡稱：納斯方程）。后來人們在進一步的研究中知道，牛頓黏性實驗定律（以及在此基礎(chǔ)上建立的納斯方程），對于描述像水和空氣這樣低分子量的簡單流體是適合的，而對描述具有高分子量的流體就不合適了，那時剪應(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，人們將剪應(yīng)力與剪切應(yīng)變率之間滿足線性關(guān)系的流體稱為牛頓流體，而把不滿足線性關(guān)系的流體稱為非牛頓流體。因為對血液而言，剪應(yīng)力與剪切應(yīng)變率之間己不再是線性關(guān)系，己無法只給出一個斜率（即黏度）來說明血液的力學(xué)特性，只好作血流變學(xué)測試，給出二者間的非線性關(guān)系。形形色色的非牛頓流體，早在人類出現(xiàn)之前，非牛頓流體就己存在，因為絕大多數(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。人們不無詼諧地把這種倒啤酒的竅門總結(jié)為三個含諧音的成語:“歪門斜倒（邪道），杯壁（卑鄙）下流，改斜（邪）歸正。我們把前面說的兩種倒啤酒的方法稱為直沖式與斜溜式。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，壓強各處基本上是均勻的，上層壓強略小于杯底，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，則各點上的壓強是不同的，從流體力學(xué)伯努利定律知道，沿一根流線，速度大的局部壓強小。這些速度大的地方便會產(chǎn)生大量的二氧化碳?xì)馀?。為了說明這一事實，取一杯靜止的新鮮啤酒，我們看到它基本上不冒氣泡。如果用一根筷子一攪，就會發(fā)現(xiàn)在筷子運動的尾部會冒出大量氣泡，正是那里壓強較低的緣故。如果把筷子在杯里作圓形攪動，使杯中啤酒旋轉(zhuǎn)起來，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，如果你想讓啤酒不冒泡地倒?jié)M杯子，你就應(yīng)當(dāng)在倒的過程中，盡量減小啤酒杯中液體的相對速度，盡可能使注滿杯子的過程變?yōu)闇?zhǔn)靜態(tài)。前面說的直沖式之所以不適用，就是因為這種方式使啤酒柱有較大的動量，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，使啤酒入杯時的動能減小;另一方面杯子傾斜可以將啤酒柱對杯子的正沖擊變?yōu)樾睕_擊，從而減小啤酒接觸瞬時的動量改變;再者斜溜過程，增加啤酒溜到杯底的路程，在這溜的過程中杯壁近處的邊界粘性層造成對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)的要求整個過程中泡沫較少。六、洗衣機為什么老翻衣兜（伯努利原理）常用洗衣機洗衣服的人都有一種體驗，即洗衣機把衣服洗完后，衣服的兜常常被翻過來。兜里如果原來有鋼幣鑰匙或別的東西，也會被掏出來，這是怎么回事？基本原理就是伯努利定律。定律如下:對于不變動的流場，在一條流線上，流體質(zhì)點的速度與在這點的壓強成反比。通俗地說,也就是流速越大壓強越小。具體而言：沿一根流線，設(shè)流體質(zhì)點的速度為V,密度為，這點的壓強為p,它們之間關(guān)系為:當(dāng)洗衣機轉(zhuǎn)動時，衣服兜口附近的流體有一個相當(dāng)?shù)乃俣?，而衣服兜的底部流體的速度要小，這是因為褲兜的底部是在褲筒里，上衣的衣兜底部也是裹在衣服里頭，所以那里的流