应用流体力学应用流体力学 (54).pdf
7.10 绕流阻力与升力第七章引 入 对于球体、圆柱等钝体结构圆柱绕流海洋立管桥墩球体绕流足球高尔夫球 绕流阻力有哪些特点？如何计算？引 入 机翼等外部绕流的升力如何计算？飞机的升力7.10.1 边界层分离7.10.2 绕流阻力7.10.3 减少绕流阻力的措施7.10 绕流阻力与升力7.10.4 绕流升力7.10.1 边界层分离边界层分离原因 理想流体：顺压区：DE，流速增大、压强减小，E 点流速最大、压强最小。逆压区：EF，流速减小、压强增大，F 点压强最大、流速为零，压强和流速与D点相同。称 F 点为后滞止点。圆柱绕流（理想流体）前滞止点：圆柱壁面前缘D点处，流动滞止，压强最大。圆柱绕流 圆柱前后压强分布完全对称，圆柱在水平方向所受合力为零，即不受阻力。7.10.1 边界层分离边界层分离原因 实际流体：顺压区：DE，压强降低，降低的压能一部分转换为动能，一部分克服摩擦阻力被消耗掉圆柱绕流（实际流体）圆柱绕流 逆压区：EF动能部分恢复为压强、部分被消耗由于能量损耗，流体速度在S点降低到零，不能到达F点边界层分离：S下游压强较高，出现由F点向S点逆流。将边界层内从上游流过来的流体挤向主流，从而使边界层脱离壁面。7.10.1 边界层分离压差阻力与摩擦阻力 压差阻力：定义：边界层和旋涡内部的黏性能量耗散作用，流体压强始终无法恢复到前滞止点D处的压强，圆柱的上下游会产生压强差，压强差会造成额外的流动阻力称为压差阻力（形状阻力）。绕流阻力：绕流阻力压差阻力摩擦阻力圆柱绕流（实际流体）7.10.2 绕流阻力绕流阻力计算公式 绕流阻力通用计算公式：212DDFC A u=小雷诺数绕流（Re1）：边界层分离，斯托克斯公式不再适用，由实验测量圆球绕流阻力系数。Re1:实测结果与根据斯托克斯阻力公式推导的CD值符合得很好。2x103 Re2x105:0.4DC1 Re2x103:2460.41=+DCReRe Re2x105:边界层转变为湍流，分离点向下游移动,压差阻力突然下降。7.10.2 绕流阻力圆球绕流阻力 无限长圆柱：Re0.5:惯性力与黏性力相比可以忽略,CD与Re成反比 Re5:边界层分离，压差阻力大幅增加并在绕流总阻力中占主要地位,CD随Re 的下降趋势变缓 Re2x1055x105:湍流边界层，绕流阻力急剧下降 有限长圆柱 压差阻力低：由于两端的影响，绕过端部的流体会使圆柱上游压强降低、下游压强提高，压差降低 长径比越小,CD越小7.10.3 减少绕流阻力的措施 降低摩擦阻力:采用光滑表面 降低压差阻力:减少边界层分离 采用圆头尖尾的流线型物体，将分离点后移，即推迟或减小流动分离区。如果必须采用非流线型物体，则增加物体表面粗糙度，加大壁面扰动，推迟分离。减少绕流阻力措施高尔夫球跑车机翼7.10.4 绕流升力 升力：流体流过机翼等物体时产生的与流动方向垂直的力，由物体上下表面的压差造成。机翼绕流受力绕流升力7.10.4 绕流升力圆柱绕流 有环量圆柱绕流（平面势流）两驻点单驻点自由驻点 速度势函数2cos2Rurr=+纯环流强度7.10.4 绕流升力圆柱绕流 有环量圆柱绕流（平面势流）两驻点单驻点自由驻点 速度分布22=(1)cos=(1)s21inruuuurrR=rrRr=+圆柱表面0si2n2r r R r RuuuR=7.10.4 绕流升力圆柱绕流 有环量圆柱绕流（平面势流）两驻点单驻点自由驻点 圆柱表面 上半圆周（=0o180o）：速度高、压强低 下半圆周(=180o360o）：速度低、压强高升力0si2n2r r R r RuuuR=环量引起的速度分量马格努斯效应7.10.4 绕流升力圆柱绕流 有环量圆柱绕流（平面势流）两驻点单驻点自由驻点 圆柱表面0si2n2r r R r RuuuR=2222+=+pupuzzgggg2212sin22+=+uuRpp圆柱绕流7.10.4 绕流升力 有环量圆柱绕流（平面势流）两驻点单驻点自由驻点 圆柱表面2L0sin=FpRd总升力=u222012ssinin22+=uuRdRp库塔-儒可夫斯基升力公式例 题例7.10.1汽车以60km/h的速度行驶，在运动方向的投影面积为2m2，绕流阻力系数CD=0.3，空气温度为0，密度=1.293kg/m3，求克服空气阻力所消耗的汽车功率。解:汽车所受的空气阻力克服阻力所消耗的功率题干解析：这是一道绕流阻力计算问题。由题意可知，自由来流速度、迎风面面积、绕流阻力系数、空气密度已知，代入绕流阻力计算公式可得汽车所受空气阻力，再乘以行驶速度可得克服空气阻力所消耗的汽车功率。小结重要概念重要公式 边界层分离 绕流升力 压差阻力 绕流阻力 摩擦阻力 绕流阻力计算公式：库塔-儒可夫斯基升力公式：LFu=
