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流体力学 · 从静水到流水

用压力与流动看流体

从静止的压力到流动的守恒、黏性与阻力,用眼睛看水和空气怎样推。

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01静止流体中,压力与方向无关
一点的压力与方向无关(帕斯卡),定义为垂直于面的力除以面积 p = F / A
#潜水员#轮胎气压#液压刹车
02压力由深度决定,与形状无关
静水压 p = ρgh,与形状和多少无关,只由深度决定(佯谬),斜率 ρg
#大坝坝体#深海潜水#蓄水池
03浮力等于排开流体的重量
阿基米德 F = ρgV,由压力差向上,按密度比浮沉
#船体#救生衣#潜艇
04流动是速度场,流线沿着它走
欧拉速度场 + 流线(与速度相切、不被横穿)+ 定常与非定常
#河流水流#烟迹#风洞试验
05截面变窄,流动就变快
连续方程 A·v = const(质量守恒),越窄反比越快,Q = A·v
#捏住水管口#河道收窄#喷嘴
06流得越快,压力越低
伯努利 p + ½ρv² + ρgh = const(同一流线),越快越低压,文丘里·喷雾
#飞机机翼#香水喷雾#化油器
07改变流动的动量,就产生力
动量定理 F = ṁ Δv(控制体),射流·转折反力,消防水管·火箭
#火箭发动机#消防水带后坐#喷气发动机
08黏性把速度差变成剪应力
无滑移 + 库埃特线性分布 + τ = μ du/dy,蜂蜜 vs 水(牛顿流体)
#蜂蜜#机油#倒糖浆
09惯性与黏性之比 Re,把层流和湍流分开
雷诺数 Re = ρvD/μ(惯性/黏性),临界 Re~2300 分层流↔湍流,无量纲
#水龙头水流#香烟烟雾#血流
10层流管流是中心最快的抛物线
抛物线分布 u(r) = u_max(1 − (r/R)²),壁 0·中心最大,最大 = 2 × 平均,湍流平钝
#水管#血管#输油管道
11黏性摩擦沿管把水头削掉
达西–魏斯巴赫 h_f = f (L/D)(v²/2g),与长度 L 成正比·速度² (湍流)·直径↓猛增,f 由 ε/D·Re 定 (穆迪)
#淋浴水压#城市供水干管#管道泵
12掠过表面的流动会形成一层薄薄的边界层
无滑移使速度从壁面 0 长到自由来流 U∞ 的薄层 δ,δ ∝ √x (δ/x = 5/√Re_x),层流→湍流,壁面梯度 du/dy 定 τ_w
#飞机机身#船体#吹向大楼的风
13边界层一旦剥离,阻力就猛增
阻力 = 摩擦阻力 + 压差(形状)阻力,逆压梯度致剥离→尾流,F_D = ½ρv²C_D A,高尔夫凹坑推迟剥离
#高尔夫球凹坑#汽车风阻#骑行俯身姿势
14量纲分析把流动归结为无量纲数
单位相消 → 无量纲数(白金汉 Π),Re·Fr·Ma 是力之比,动力相似让模型预测真物,单一 C_D(Re) 曲线
#风洞缩比模型#船模拖曳水池#飞行器设计
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