1、流體力學作業生活中的流體力學成員： 盛文華 學號：074090324生活中的流體力學也許，到現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現。生活離不開流體，尤其是在社會高速發展的今天。鷹擊長空，魚翔淺底；汽車飛奔，乒乓極旋，許許多多的現象都與流體力學有關。生活中的很多事物都在經意或不經意中巧妙地掌握和運用了流體力學的原理，讓其行動變得更靈活快捷。不知道大家有沒有發現，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變為紊流的臨界雷諾數減小，使流動變為紊流，以減小阻力的實際應用例子。最初，高爾夫球表面是做成光滑的，如圖11，后來發現

2、表面破損的舊球 圖1-1光滑面 圖1-2粗糙面反而打的更遠。原來是臨界Re數不同的結果。高爾夫球的直徑為41.1毫米，光滑球的臨界RE數為3.85×E5，相當的自由來流空氣的臨界速度為135米/秒，實際上由于制造得不可能十分完善，速度要稍微低一些。一般高爾夫球的速度達不到這么大，因此，空氣繞流球的情況屬于小于臨界Re數的情況，阻力系數Cd較大。將球的表面做成粗糙面，促使流動提早轉變為紊流，臨界RE數降低到E5, 相當的臨界速度為35米/秒，一般高爾夫球的速度要大于這個速度。因此，流動屬于大于臨界Re數的情況，阻力系數Cd較小，球打得更遠。 同樣在游泳的時候，也受到流體的作用。游泳是在

3、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。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，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

4、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節和腿繞髖關節，以復雜的弧線做圓周運動。根據圓周運動的有關原理，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；腿蹬夾水的主要作用面則是腳和小腿內側。增加這些部位對水的橫切面（如佩帶蹼具等），就能產生更大的推進力。在我們身邊來來往往飛馳的汽車，更是與流體力學的巧妙結合。汽車發明于19世紀末，當時人們認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（CD）很大

5、，約為0.8。實際上汽車阻力主要來自后部形成的尾流，稱為 圖2-1 圖3-1 箱型車形狀阻力。其車型如3-1.     20世紀30年代起，人們開始運用流體力學原理改進汽車尾部形狀，出現甲殼蟲型，如圖3-2，阻力系數降至0.6。20世紀5060年代改進為船型，如圖3-3，阻力系數為0.45。80年代經過風洞實驗系統研究后，又改進為魚型，如圖3-4，阻力系數為0.3，以后進一步改進為楔型，如圖3-5，阻力系數為0.2。90年代后，科研人員研制開發的未來型汽車，如圖3-6，阻力系數僅為0.137。可以說汽車的發展歷程就是代表了流體力學不斷完善的過程。

6、0; 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流罩。研究表明，在廂式貨車上安裝導流罩，可以大幅度的降低氣動阻力、節省燃料消耗。安裝導流罩使得氣動阻力系數曲線上的臨界雷諾數增大:設置薄壁式的導流罩底邊和駕駛室頂面之間的間隙，可以增強導流罩的減阻效果。在廂式貨車尾部安裝渦流穩定器，可以降低尾渦區內氣流能量的消耗，使靜壓回升，壓差阻力減小。 圖3-4 魚型 圖3-5 楔型前上部導流罩裝在駕駛室頂上，能將迎面氣流導向車頂和側圍，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2

7、0%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。前下部導流罩和前側阻翼板，倆者均裝在保險杠上，下部導流罩使進入車下的導流不與車下部分突出的構建相互作用，從而可使汽車的氣動阻力降低10%15%。車身前側導流罩和前側翼板，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擋住駕駛室與貨廂只見的空隙，以消除側風的影響，前者使氣動阻力降低5%10%用得相當廣；后者使氣動阻力降低10%15%但用得相當少。導流罩

8、對卡車的氣動特性有很大的影響。卡車要采用輔助措施使其有平滑的過渡面，是其表面外形不易產生渦流。最重要的是導流罩的處理，應由到氣流平順的流過頂蓋。廂式貨車安裝導流罩可使汽車表面的流譜發生重要變化，流譜的改變可大幅度的減小氣動阻力，對減阻節能意義重大。對于牛頓流體，英國科學家牛頓于1687年，發表了以水為工作介質的一維剪切流動的實驗結果。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以等速U向右運動。此時，附著于上、下平板的流體質點的速度，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。由此得到了著名的牛頓黏性定律。 圖4-1 牛頓流動定律斯托克斯18

9、45年在牛頓這一實驗定律的基礎上，作了應力張量是應變率張量的線性函數、流體各向同性及流體靜止時應變率為零的三項假設，從而導出了廣泛應用于流體力學研究的線性本構方程，以及被廣泛應用的納維-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，那時剪應力與剪切應變率之間己不再滿足線性關系。為區別起見，人們將剪應力與剪切應變率之間滿足線性關系的流體稱為牛頓流體，而把不滿足線性關系的流體稱為非牛頓流體。因為對血液而言，剪應力與剪切應變率之間己不再是線性關系，己無法只給