流体力学体验阻力-流动阻力与计算绕物动力及减阻

4.体验阻力（一）从塔科马大桥谈起上世纪三十末年代，美国在华盛顿州的塔科玛峡谷上花费640万美元，建造了一座主跨度853.4米的悬索桥：塔科马海峡吊桥（TacomaNarrowsBridge），大桥于1940年7月1日建成通车。里昂·莫伊塞弗塔科马海峡吊桥1940年7月1日通车东边桥（2007年建）和西边桥（1950年建）风何以有如此大的威力？绕物体流动——阻力与升力绕流作用阻力作用力：消耗动力：控制物体运动稳定、操控、破坏速度、能源、经济斯托克斯阻力公式低雷诺数（Re1）u0DFDGuGFD重力gdGm361绕流阻力24122udCDd浮力gdF361匀速下降gdCumd34——悬浮速度Re1Re24dCgdum2181gdum2181gdum2181gdum2181问题与思考空气粘度：17.9×10-6Pa·S，20℃按斯托克斯阻力公式计算，当球体直径为0.5m，风速为35m/s时，阻力仅为0.003N。1904年L.Prandtl在德国海登堡第三届国际数学大会上提出边界层概念LudwigPrandtl(1875-1953)“论粘性很小的流体运动”边界层的基本概念边界层：物体壁面附近存在大的速度梯度的薄层。边界层是在实际流体的大雷诺数流动中，紧贴固壁存在的一个粘性起主导作用的薄流层。两类不同性质的流动：（1）物体边界附近薄层由于粘性力作用，有很大的速度梯度du/dy——边界层（附面层）；（2）边界层以外的流动，粘性力作用不计——理想流体无旋流动（势流）边界层分离与压差阻力0xp逆向压力梯度顺向压力梯度曲面绕流与平板绕流不同，由于存在∂p／∂x0的逆压区，处于逆压区中边界层内的流速剖面会顺流变得越来越狭窄，紧贴壁面的流体越走越慢，壁面切应力则越来越小，直到分离点处，壁面切应力降为零，即，边界层内的流体质点开始脱离壁面，此后便会发生流体沿着壁面‘回流’的现象，这样边界层中从上游流来的流体在到达分离点时，受到堆积和回流的影响，只能被挤向主流，离开壁面，这就是边界层的分离。旋涡根本原因：粘性分离条件：逆向压力梯度边界层分离边界层分离的必要充分条件由于在分离点后的回流区、旋涡区中压强大大下降，导致绕流物体前后的压差，形成压差阻力，也可称为形状阻力。压差阻力取决于分离点的位置和尾流区的大小。绕物体流动的阻力包括摩擦阻力和压差阻力两部分。摩擦阻力与物体表面积大小有关，压差阻力与物体的形状有关系。宽圆柱半管半管方柱平板椭柱椭柱球半球半球方块方块矩形板(长/宽=5)二元物型104～1051.24×1041.24×1042.33.5×1042.0104×1061.981×1050.462×1050.20三元物型104～1050.47104～1050.42104～1051.17104～1051.05104～1050.80103～1051.208:12:1物体流速210210210210阻力12.64.09.3喷气v配重砝码1.改变喷气速度，阻力的变化2.光滑球和粗糙球对比v阻力湍流边界层光滑球粗糙球边界层分离推迟边界层分离较早VonKarman1911(1881-1963)卡门涡街平稳水流绕过物体后，会交替形成二列向内旋转的序列涡。应用举例升力阻力攻角马格努斯效应magnuseffect212121121212推进力横流力导流板飞机的机翼扰流板副翼襟翼副翼Aileron前缘缝翼Leadingedgeslat襟翼Flap扰流板Spoiler