流体力学的任务与研究方法

3 数值方法 数值研究的一般过程是：对流体力学数学 方程作简化和数值离散化，编制程序作数 值计算，将计算结果与实验结果比较。
流体力学的任务与研究方法


常用的方法有：有限差分法、有限元法、 有限体积法、边界元法、谱分析法等。 计算的内容包括：飞机、汽车、河道、桥 梁、涡轮机等流场计算；湍流、流动稳定 性、非线性流动等数值模拟。大型工程计 算软件已成为研究工程流动问题的有力武 器。

又错了！还是不一定。 高尔夫球运动起源于15世纪的苏格兰，当 时人们认为表面光滑的球飞行阻力小，因 此用皮革制球。
流体流动中的特殊现象
流体流动中的特殊现象
最早的高尔夫球（皮革已龟裂)
流体流动中的特殊现象

后来发现表面有很多划痕的旧球反而飞得 更远，这个谜直到20世纪建立流体力学边 界层理论后才解开。
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典型的流体力学实验有：风洞实验、水洞 实验、水池实验等。
风洞实验（同济大学）
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测量技术有：热线、激光测速；粒子图像、 迹线测速；高速摄影；全息照相；压力、 密度测量等。 现代测量技术在计算机、光学和图像技术 配合下，在提高空间分辨率和实时测量方 面已取得长足进步。 实验结果能反映工程中的实际流动规律， 发现新现象，检验理论结果等，但结果的 普适性较差。
（五） 流体流动中的特殊现象


人类虽然长期生活在空气和水环境中，对 一些流体运动现象却缺乏认识，现举一些 例子来说明。 问题一：球的阻力如何随速度而变化？ 不言而喻：速度越大阻力也越大！ 对吗？
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错了！不一定。 一个3英寸（7.6cm)的小球，在风洞的空气 中吹，速度从0开始，慢慢提高，看到的是 如下的情况：
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问题三：汽车阻力：来自前部还是后部？ 汽车发明于19世纪末，当时人们认为汽车 的阻力主要来自前部对空气的撞击，因此 早期的汽车后部是陡峭的，称为箱型车， 阻力系数（CD）很大，约为0.8。

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实际上汽车阻力主要来自后部形成的尾流， 称为形状阻力
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流体力学的任务与研究方法
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流体力学研究方法 流体力学的研究方法分三个方面。
1 理论分析方法 理论分析的一般过程是： 建立力学模型，用物理学基本 定律推导流体力学数学方程， 用数学方法求解方程，检验和 解释求解结果。
流体力学的任务与研究方法
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测量和计算表明，上部吸力的贡献远比下 部要大。
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流体力学的任务 丰富多彩的流动图案背后隐藏着复杂的力 学规律，具有高度智慧的人类为揭示流动 奥秘建立了流体力学学科，

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研究和解决生产、科研、生活中的流体运 动问题就是流体力学的任务。 航空、航天、造船、机械、动力(包括核动 力)、冶金、化工、石油、建筑等部门的设 备中工作介质都是流体，为了改进流程、 提高效率，需要流体力学的知识。
ห้องสมุดไป่ตู้


目前流体力学理论研究的主攻方向是： 湍流、流动稳定性、涡运动、水动力学、 水波动力学、复杂流动、多相流动等。 理论分析结果能揭示流动的内在规律， 具有普遍适用性，但分析范围有限。
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2 实验方法 实验研究的一般过程是： 在相似理论的指导下建立模拟实验系统， 用流体测量技术测量流动参数， 处理和分析实验数据。
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90年代后，科研人员研制开发的未来型汽 车，阻力系数仅为0.137。
经过近80年的研究改进，汽车阻力系数从0.8降至0.137，阻力减小为原来的1/5 。
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目前，在汽车外形设计中流体力学性能研 究已占主导地位，合理的外形使汽车具有 更好的动力学性能和更低的耗油率。
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数值方法的优点是能计算理论分析方法无 法求解的数学方程，比实验方法省时省钱， 但毕竟是一种近似解方法，适用范围受数 学模型的正确性和计算机的性能所限制。
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三种方法各有优缺点，应取长补短，互为 补充。 l 流体力学不仅有深厚的理论基础，而且 实践性很强。学习流体力学应注意理论与 实践结合，理论分析、实验研究和数值计 算并重。
V速度 80 100 115 英里/小时 阻力 1.5 2.4 3.0
单位
单位 单位
140 155 170
2.3 3.1 4.0
单位
单位 单位
流体流动中的特殊现象

以图表示
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问题二：表面光滑还是粗糙 的小球哪个阻 力大？ 不言而喻：表面越粗糙阻力也就越大！
流体流动中的特殊现象
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现在的高尔夫球表面有很多窝坑，在同样大小和重量下，飞行距离为光滑球的5倍。
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在低速时（120英里/小时192km /小时以 下），光滑球(3.5英寸=8.89cm)比轻微粗糙 球阻力较小。在某一确定临界速度之上 （125英里/小时=200 192km /小时），粗糙 球的阻力突然变得小于光滑球的阻力。
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问题四：机翼升力：来自下部还是上部？ 人们的直观印象是空气从下面冲击着鸟的 翅膀，把鸟托在空中。 19世纪初建立的流体力学环量理论，彻底 改变了人们的传统观念。
足球的香蕉球现象可帮助理解环量理论。
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旋转的球带动空气形成环流，一侧气体加 速，另一侧减速，形成压差力，使足球拐 弯，称为马格努斯效应 机翼的特殊形状使它不用旋转就能产生环 量，上部流速加快形成吸力，下部流速减 慢形成压力，两者合成形成升力

20世纪30年代起，人们开始运用流体力学 原理改进汽车尾部形状，出现甲壳虫型， 阻力系数降至0.6。
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20世纪50－60年代改进为船型，阻力系数 为0.45。
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80年代经过风洞实验系统研究后，又改进 为鱼型，阻力系数为0.3，
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以后进一步改进为楔型，阻力系数为0.2。