绕流阻力与升力.docx

绕流阻力与升力一、绕流阻力水流绕过物体（如机翼、桥墩和水文测量中的铅鱼以及水泵叶片和冷却管的 绕流问题等）或物体在流体中以一定的速度前进（也相当于流体绕过物体）时, 物体都将受到水流对物体的作用力。这个作用力可以分为两分量：一个是它在水 流方向的分力，该力是水流中物体（桥墩、铅鱼）受到水流方向的作用力，或者 说在流体中运动物体（如机翼）所受到的阻力；另一个是垂直于流动方向的横向 作用力，称为升力。研究绕流阻力与升力问题对水文、水力机械和水工等专业有 其实用价值。为确定物体的绕流阻力，现观察垂直于水流方向上设置的圆柱体，如图4-22 所示。图 4-22由于水流对称绕着圆柱体边界流动，那么在圆柱边界的任一点上都存在着法向 应力和切应力7。从图上可以看出，在圆柱面上取一微小面积以，作用在微 小边界面上的动水压力小=根，摩擦阻力=小以。那么作用在圆柱面上的绕 流阻力，就是水流作用在圆柱面上各微小动水压力和摩擦阻力在水流方向投影总 和。因此，绕流阻力有两局部组成，即由外表切应力形成的局部成为摩擦阻力或 外表阻力；由动水压强形成的称为压强阻力或形状阻力。当实际液体绕物体流动，由于粘性作用，在物体外表形成边界层。沿物体表 面流动的液体质点，因能量损失，失去动能，而被迫离开物体外表（被外部质点 带向物体后部），从而在物体尾部形成漩涡区。所以物体的形状及物体与水流的 相对位置都影响到漩涡区的大小、漩涡的强弱，对绕流阻力的影响极大。如平板 平行水流放置，就不易形成水流与边界脱离，产生的绕流阻力也最小；假设平板垂 直水流放置，那么最易形成水流与边界脱离，产生的绕流阻力也最大，如图4-23 （a）所示。因此，在流体中运动的物体（如飞机、船舶等），或在水流中固定的物体（桥 墩、闸墩、铅鱼等）都应设计成曲线型，以防止产生水流脱离现象，减少绕流阻 力。（卜）方墩与夹城的烧流（）不同方位的平板绕流（）不对称流线型剖面的绕流图 4-23如图4-23所示，物体在迎水面上存在一个流线的终止点（停滞点0）,区=" p-瓯该点的流速为零，压强最大，停滞点的动水压强水头7 2g ,即“一 2 °而 物体迎水面其他各点的动水压强P均小于停滞点的压强乙，一般讲与庶成正 比的。由于水流运动速度较大时，压强阻力在绕流阻力中占主导地位，因而绕流Fd =Fd =阻力可由下式表示:(4-42)式中：P流体的密度;%不受物体影响处的未被干扰的流速；一一物体在垂直水流方向的投影面积； 品一一阻力系数。式（4-42）便是1726年牛顿提出的绕流阻力公式。绕流阻力的阻力系数品与水流的雷诺数Re、绕流物形状及其在水流中 的相对位置有关。阻力系数金的变化规律与沿程阻力系数的变化规律相类似, 当雷诺数Rc较小时，绕流物周围的水几乎无扰动，绕流为层流，这时只有摩擦 阻力，阻力系数g与Re成反比，绕流阻力与流速的一次方成比例。当雷诺数Re 相当大时，绕流物周围的水流紊动强烈，绕流处于阻力平方区，绕流阻力以压强 阻力为主，阻力系数品与Re无关，只与绕流物的形状及其在水流中的相对位置 有关，根据实验实测：球体G）=0.5,圆平板（板面垂直流向）C/>=1.12o 二、升力水流作用在物体外表上的各微小动水压力和微小动水压力和微小摩擦 阻力在垂直水流方向上投影的总和成为升力。升力只在物体绕过不对称物体时才 能发生，如图4-23 (c)所示。上部流线密、流速大，压强小，下部流线疏、流 速小，压强大。由于上、下压强差而形成了升力。在水流中，当物体对称时，升 力等于浮力；当物体不对称时，升力就不等于浮力，如上凸下凹，其升力大于浮 力。升力也可用类似绕流阻力公式的形式来表示，即式中：七升力；4物体在水流方向上的投影面积；一一升力系数，可参考有关计算手册。例4-8 直径为5nmi的单颗球状沙在静水中下沉，求到达匀速下降时的 沉降速度。解：在静水中的沙粒受重力作用而向下沉降，开始是加速运动。由于沙粒在 沉降过程中要受到绕流阻力的作用，绕流阻力随沉降速度的增加而增加，当重力、 浮力和绕流阻力三者到达平衡时，沙粒下降的加速度为0,成为等速沉降状态。 设此时的沉降速度为V。，把沙粒当作圆球状，那么作用在球状沙砾上的作用力有:重力。方向向下，沙粒的重量为G = /sL> =八 那3浮力。方向向上，其大小为1,3p = yu = yTrd绕流阻力。由于沙粒下沉，故绕流阻力方向向上，其大小为Fd = CD-pvlAD = CD 24 2g。当沙粒等速沉降时，上述三力处于平衡状态,即=将沙粒体积带入上式得-八小品Q过'%4 2g从上式可解出等速沉降时沙粒的沉降速度为22假设沙粒的相比照重为2. 65,即7 =2. 65,那么 ，=2.65-1=1.65取圆球的阻力系数G)=0. 5,那么直径为5mm的沙粒的等速沉降速度为5 =疯=UXo7XL65 J9.8 x 0.005 = 0.464(z / s)由于沙粒的形状并非球状，实际的阻力系数要比0.5大，故实际的沉降速度要、于上述数值。当沙枝直径小于2nlm时，沙枝对水流的扰动题用很小，水的拈滞性招起较大的作用，阻力系数C。将随雷诺数改变，已不再是常数了。