生活中的流体力学

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1、生活中的流体力学王陈柱（学号：096090074）E-mail:348693287@qq.com摘要流体包括气体和液体，其中空气和水是最典型而广泛存在的流体。流体力学是研究流体平衡和运动规律以及流体与固体壁面间作用力的一门科学，是力学的一个分支。流体及流体力学现象充斥在我们生活的各个方面，我们生活在一个流体的世界里。例如生活中的交通运输中的火车、汽车的流线型设计及飞机飞行原理，家居生活中的空调制冷系统中的管路设计，饮食生活，甚至人类的体育活动都合流体力学息息相关。了解生活中的流体力学，可以加深我们对物质世界的理解，以指导我们更好

2、更科学的生活。一、交通工具与流体力学1.1高速列车空气阻力和流线型设计火车跑得越快，受到的机械阻力和空气阻力就越大。试验表明，列车的机械阻力与列车的速度成线性关系，而列车的空气阻力与列车速度成平方关系。因此，列车的速度越高，空气阻力在总阻力中所占的比例将急剧升高，成平方关系上升，而空气阻力耗散的功率与速度的立方成正比。根据法国、德国等高速列车的试验表明，当车速为250千米／时，空气阻力将占总阻力的75％，空气阻力所耗散功率占总耗散功率的85％以上，如果车速增加到300千米／时，则空气阻力将占总阻力的90％以上。可以看出，空气阻力

3、成为高速列车提高速度的主要限制因素，也就是说高速列车的牵引力绝大部分是为了克服空气阻力，所以高速列车的发展，一方面要提高机车(或动力车)的牵引功率，另一方面要采取措施，降低高速列车的车)的牵引功率，另一方面要采取措施，降低高速列车的空气阻力。 高速列车的空气阻力包括列车头、尾部的压差阻力，列车侧面的摩擦阻力和列车车体其他各部位结构与空气接触而引起的干扰气动阻力。因而整列高速列车的车体的各部位外形设计都要考虑如何减小上述的各种空气阻力。 高速列车运行时，车头迎风受到正压力，而尾部由于涡流产生负压力。由此形成压差产生的空气阻力叫做压

4、差阻力。在非高速运行的情况下，压差阻力并不占重要地位．因此普通机车的形状基本上是平头，一般叫做钝形车头，如我国现使用的韶山型电力机车。但随着运行速度的提高，压差阻力也随之增大，必须注意在机车和高速列车外形设计时减少这部分阻力。高速飞机的外形设计采用了流线型，头部很像大型鱼头。空气围绕流线型物体移动时，像鱼在水中游动，就会引起很小的压差阻力。高速列车的机车外形都设计成流线型，以减少空气阻力。日本近年设计制造的700系列高速列车，其头部仿照鸭嘴形状。各国高速列车外形都采用流线型设计，但具体线型也不完全一样，仍在不断研究与改善中。根据

5、列车头尾部流线型的程度不同，其压差阻力约占列车总空气阻力的7％～14％。 高速机车头部设计成流线型，还可保证高速列车进入隧道时车头的安全。列车进入隧道时，车头受到突然的正面脉冲压力，流线型的车头则可减小这种脉冲压力。此外，两列火车对面急驶而过时，也会相互引起侧向的脉冲压力。这种脉冲压力的大小也和车头的外形有关，流线型车头可减小这种脉冲压力。流线型车体产生的空气噪音也将相应减小。1.2飞机飞行原理飞机是比空气重的飞行器，因此需要消耗自身动力来获得升力。而升力的来源是飞行中空气对机翼的作用。 在下面这幅图里，有一个机翼的剖面示意图。

6、机翼的上表面是弯曲的，下表面是平坦的，因此在机翼与空气相对运动时，流过上表面的空气在同一时间(T)内走过的路程(S1)比流过下表面的空气的路程(S2)远，所以在上表面的空气的相对速度比下表面的空气快(V1=S1/T>V2=S2/T1)。根据伯奴利定理——“流体对周围的物质产生的压力与流体的相对速度成反比。”，因此上表面的空气施加给机翼的压力F1小于下表面的F2。F1、F2的合力必然向上，这就产生了升力。　二、家居生活中的流体力学1.1空调制冷系统中的管路设计家用空调器一般都是采用机械压缩式的制冷装置，其基本的元件共有四件：压缩机

7、、蒸发器、冷凝器和节流装置，四者是相通的，其中充灌着制冷剂（又称制冷工质）。压缩机象一颗奔腾的心脏使得制冷剂如血液一样在空调器中连续不断的流动，实现对房间温度进行调节。制冷管路的设计需要综合考虑以下的因素：最大的制冷量、最低的成本、正常的回油、最小的功率消耗、最小的制冷剂充注量、低噪声、正确的制冷剂流量控制以及系统制冷量能够从0到100%变化而且不会引起任何润滑方面的故障。影响管路设计最主要的两个因素是：管路的压降和流速。制冷剂管路中的压降会降低制冷量和增大功率的消耗，降低能效比，因此应避免过大的压降。液体管路中的压降一般不会直

8、接影响制冷量，但液体管路中的压降必须保证液体在进入节流装置前是饱和液体，液体管路中过大的压降会使液体管路中产生闪发蒸汽，在节流前产生闪发蒸汽会直接影响节流装置控制和调节流量、压降的能力。为减小压降而增大液体管路管径，会引起系统中制冷剂充注量的增加。过量的制冷剂将