生活中的流体力学

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生活中的流体力学研究 北京科技大学数理学院 北京 100083 Email Sunday June 10 2012 流体力学基础理论 牛顿黏性定律介绍 流体力学实际应用案例分析 关键词 流体力学 实际应用 牛顿流体 非牛顿流体 牛顿黏性定律 英国科学家牛顿在 1687 年 公布了一项关于水的实验研究 实验内容是在两块平行放置的平板间注入水 其中下方的平板保持静止 上方的平板以恒定速度 U 向右移动 附着在上 下平板的流体粒子速度分别是 U 和 0 速度分布呈现线性特征 斜率代表黏度系数 由此推导出著名的牛顿黏性定律 斯托克斯在 1845 年基于牛顿黏性定律提出应力张量与应变率张量的线性关系 假设流体具有各向同性且静止时应变率为零 从而得出线性本构方程以及广泛应用于流体力学领域的纳维斯托克斯方程 简称纳斯方程 后续研究显示 牛顿黏性定律和纳斯方程适用于描述水或空气等低分子量简单流体 但不适用于高分子量流体 在这类流体中剪应力与剪切应变率不再呈现线性关系 人们将满足线性关系的流体定义为牛顿流体 而将不满足线性关系的流体称为非牛顿流体 血液 淋巴液 囊液等体液以及细胞质等半流体属于非牛顿流体 汽车设计中的流体力学应用 汽车周围流动的空气与流体力学原理紧密关联 以汽车为例 影响汽车动力性能的关键装置是导流罩 研究证实 在厢式货车上安装导流罩能显著降低气动阻力 节省燃料消耗 导流罩使临界雷诺数增大 通过设置导流罩底边与驾驶室顶面间的间隙 可增强减阻效果 在厢式货车尾部加装涡流稳定器有助于降低尾涡区气流能量消耗 提升静压 减少压差阻力 导流罩存在多种形式 包括板罩式 立体式和涡流凹板式 分别能使气动阻力降低 20%至 35% 前上部导流罩通常安装在驾驶室顶部 用于引导迎面气流 导流罩有三种类型 板罩式 立体式和涡流凹板式 前下部导流罩与前侧阻翼板均安装在保险杠位置 前下部导流罩避免车下气流与突出结构相互作用 从而降低气动阻力 前侧阻翼板改善车身前部流线形 降低气动阻力 导流罩对卡车气动特性影响显著 卡车需采用平滑过渡面设计 避免涡流产生 导流罩设计至关重要 应确保气流顺畅 通过改变汽车表面流谱显著降低气动阻力 对节能具有重要价值 游泳中的流体力学原理 游泳运动在水环境中进行 是一种周期性活动 人体在水中的浮力与身体姿势密切相关 身体保持流线型 吸足气 使重心与浮心接近直线即可长时间漂浮 若双臂紧贴身体两侧 胸腔虽充满气 但下肢比重较大 下肢会下沉 游泳需充分利用浮力 同时减少失去浮力的时间 头部不宜过高 身体起伏不宜过大 空中移臂时间应尽量短 游泳者前进时受到反向阻力 包括摩擦阻力 波浪阻力和形状阻力 流线型物体阻力为 1 其他形状物体阻力大几倍至 100 倍 推进力源于手臂或腿部动作对水的施力 水反作用于人体产生等大反作用力 游泳时手臂绕肩关节 腿绕髋关节做复杂圆周运动 根据圆周运动原理 角速度相同时 半径越长线速度越大 手臂和腿部远离躯干部位速度最大 臂划水作用面为手掌与前臂 腿打水作用面为脚面与小腿前侧 腿蹬夹水作用面为脚与小腿内侧 增加这些部位横切面如佩戴蹼具可增大推进力 猫喝水中的流体力学现象 研究人员通过高速摄影发现猫喝水时舌头并非完全浸入水中 舌尖触碰水面后迅速收回 在舌面与水面间形成细小水柱 水柱被舌面带动进入口腔 猫同时闭嘴避免下巴湿润 细小水柱由重力和惯性平衡形成 重力向下拉 惯性使水向舌面方向运动 猫科动物喝水时平均每秒伸缩舌头四次 每次摄取 0.1 毫升水 大型猫科动物频率稍慢 猫科动物通过调整舌头运动速度控制每次饮水量 以获取最大水量 显示