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阻力与升力

绕流中液体与固体的交界面上的作用力。沿一个潜没物体的表面将单位面积上的摩擦阻力和单位面积上的法向压力积分,可得一合力向量,这个合力在流速U∞方向的分力为水流作用于固体的阻力;而在与U∞垂直方向的分力为水流对物体的升力,见图1。物体受到绕物体的水流所给予的阻力为绕流阻力,通常以D表示:D=Df+Dp

绕流中液体与固体的交界面上的作用力。沿一个潜没物体的表面将单位面积上的摩擦阻力和单位面积上的法向压力积分,可得一合力向量,这个合力在流速U方向的分力为水流作用于固体的阻力;而在与U垂直方向的分力为水流对物体的升力,见图1。物体受到绕物体的水流所给予的阻力为绕流阻力,通常以D表示:D=Df+Dp,其中 Df为摩擦阻力,Df=∫sτ0sinθds;Dp为压强阻力,Dp=-∫spcosθds;由于物体表面压强的分布与物体的形状有关,故压强阻力,也称形状阻力。阻力系数

图1 阻力与升力

阻力与升力

式中 A为物体与流速垂直方向的迎流投影面积。升力主要由法向压力产生,升力系数CL可用下式计算:

阻力与升力

边界层分离与压强阻力,在边界层中流体质点的流速均因固体边界的阻滞而减小。当外界势流具有逆压力梯度时,边界层内流体质点的流速逐渐减小,以至到固体边界上其值为零。这时流体质点在边界层内积聚,使边界层厚度急剧增厚,逆压力梯度使边界层内发生反向回流,迫使边界层内的流体向边界层外流动,见图2,这种现象称边界层自固体边界上“分离”。边界层的分离常常在物体尾部产生旋涡区称为“尾流”。旋涡运动消耗大量能量,使尾流区压强降低。物体上游面与下游面的压差形成压强阻力。减小压强阻力的方法是改善物体的形状使边界层的分离点尽量移向下游以减小低压的尾流区,这种物体就叫“流线型物体”。

图2 边界层分离

绕流物体的摩擦阻力和压强阻力都主要与水流的雷诺数Re有关,因此总的阻力系数CD也决定于雷诺数。图3为二维绕流物体的CD与Re的关系曲线。

图4 三维绕流物体CD与Re关系

图3 二维绕流物体的CD与Re关系

图4为三维绕流圆球物体的CD与Re的关系曲线。图中并绘入了其他几种旋转体的阻力系数曲线。