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標題: 流體阻力是怎么回事,? [打印本頁]

作者: twq19810302    時間: 2023-5-3 13:52
標題: 流體阻力是怎么回事?
以汽車為參照物,,空氣經(jīng)過汽車后的動量減小了,,根據(jù)動量定理,這部分減小的動量產(chǎn)生了對汽車的阻力,。
導(dǎo)讀
流動阻力是一個涉及很廣的問題,。汽車高速行駛的油耗主要來源于空氣阻力而不是地面的摩擦阻力,霧霾之所以可以“懸浮”在空中也是由于流動阻力,,槍彈和炮彈的飛行距離遠小于根據(jù)平拋或者斜拋計算的距離,,這些都說明了空氣阻力的重要性,。
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01
壓差阻力和摩擦阻力
從受力角度分析,物體受到的阻力是流體直接作用在其表面上的,。垂直于物體表面的是流體的壓力,,其產(chǎn)生的阻力稱為壓差阻力;平行于物體表面的是流體的黏性剪切力,,其產(chǎn)生的阻力稱為摩擦阻力,。除了這兩種力之外,再沒有其它的力了,。所以物體的總阻力就是壓差阻力和摩擦阻力的合力,,壓差阻力與物體的形狀密切相關(guān),摩擦阻力則主要與物體的表面積相關(guān),。
有些地方說除了壓差阻力和摩擦阻力之外還存在誘導(dǎo)阻力,以及激波阻力等,,是屬于一種誤解,。實際上誘導(dǎo)阻力和激波阻力都可以歸結(jié)為壓差阻力和摩擦阻力(主要是壓差阻力)。
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02
形狀阻力之后部阻力
自古以來人們就知道在流體中運動的物體會受到阻力作用,,且阻力與物體形狀密切相關(guān),。但最初的流體力學(xué)理論卻得出了相反的結(jié)論�,;跉W拉和伯努利的流體運動定律,,如果忽略流體的黏性,則流體對在其中運動的任何形狀的物體都不產(chǎn)生阻力作用,。
看來阻力完全是黏性產(chǎn)生的了,,但空氣的黏性非常小,其產(chǎn)生的摩擦阻力比實際測量得到的氣動阻力要小很多,。這個矛盾在歷史上稱為“達朗貝爾佯謬”,,因為是由法國數(shù)學(xué)家達朗貝爾提出的。
直到普朗特提出了邊界層理論,,人們才真正認識到了流動阻力的實質(zhì),。壓差阻力才是氣動阻力的主要組成部分,而對于一般的物體,,壓差阻力則主要是由于邊界層分離產(chǎn)生的,。
早期的人們(可能現(xiàn)在很多人也這樣認為)基于某種“常識”,認為物體前部的形狀決定了阻力的大小,,前部尖一些阻力就會小,。有了邊界層理論后,發(fā)現(xiàn)物體后部的形狀才是更重要的,。因為物體后部的形狀決定了邊界層分離的位置,,從而決定了物體表面的壓力分布,。
常見的魚和鳥都是較為完美的流線體,是圓頭尖尾巴的,。
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03
形狀阻力之前部阻力
雖然說物體后部的形狀對阻力大小是決定性的,,但前部形狀也是很重要的。例如,,物體前部如果是方頭的,,流體就會在尖角處早早地分離,后部精心設(shè)計的形狀就失去意義了,。目前在高速公路上跑的卡車,,已經(jīng)實現(xiàn)的形狀優(yōu)化主要集中在前部,后部受集裝箱形狀的限制,,所做的工作較少,。對于跨聲速運動的物體,激波會產(chǎn)生額外的阻力,,所以前部都設(shè)計成很尖的形狀,,使激波的錐角更小,以減小阻力,。
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04
激波阻力
當來流速度接近或超過聲速時,,會產(chǎn)生激波,帶來額外的激波阻力,。本質(zhì)上說,,激波阻力也是一種壓差阻力,是由于激波的存在,,使物體后半部的壓力恢復(fù)不夠而造成的,。忽略黏性損失,當沒有激波時,,氣流在物體后半部減速對應(yīng)一個壓升Δp1 ,;當存在激波時,氣流經(jīng)過激波時部分損失了部分機械能,,同樣的減速對應(yīng)的壓升Δp2 就會比Δp1 要小,。因此,有激波時物體后半部的壓力要低一點,,這就是激波阻力的來源,。把物體前緣做成尖的可以減小激波錐角,從而減小激波帶來的損失,,也就減小了激波阻力,。船在水面行進時會產(chǎn)生水面波,也會有波阻力,,所以要做成尖頭的,,而在水下行進的潛艇則是圓頭的,。
用能量損失來解釋激波阻力不夠直接,畢竟物體表面的壓力和黏性力才是直接決定阻力大小的因素,。下面用物體表面壓力變化來解釋激波阻力,。
05
形狀和表面質(zhì)量對阻力的影響
減小阻力是流體力學(xué)永恒的主題。采用流線形可以有效地減小壓差阻力,,這主要是因為設(shè)計良好的流線體表面不存在邊界層分離,,從而減小了壓差阻力。
除了外形,,物體的表面粗糙度對阻力也影響阻力,。一般表面越光滑摩擦阻力越小,但有時卻故意讓物體表面粗糙,,使邊界層變成湍流來抑制分離,,從而顯著地降低壓差阻力。

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06
總結(jié)
分析物體的氣動阻力的時候,,流體力學(xué)的習(xí)慣是按照力的作用形式分,。垂直作用在物體表面的壓力產(chǎn)生的阻力稱為壓差阻力,而平行于物體表面的摩擦力形成的阻力稱為摩擦阻力,。由于物體表面不存在這兩種力之外的力,所以任何一種阻力不是壓差阻力就是摩擦阻力,,或者兼而有之,。
流動分離產(chǎn)生的壓差阻力和激波產(chǎn)生的壓差阻力是影響物體氣動阻力的最大因素。
亞聲速的低阻力物體是圓頭尖尾的,,超聲速的低阻力體則頭尾都要尖,。
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作者: 摯愛重金屬    時間: 2023-5-4 10:27
高質(zhì)量文章,已解心中疑竇,,感謝
作者: 果核宇宙    時間: 2023-5-24 13:12
作為學(xué)過流體力學(xué)的本科畢業(yè)生,,這篇文章解決了一直無法理解的問題,講的太好了,!
作者: dickych    時間: 2023-5-25 08:50
謝謝樓主分享




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