圆柱阻力系数
如何计算风荷载
如何计算风荷载风指的是从高压区向低压区流动的空气，它流动的方向大部分时候是水平的。
[1] 强风具有很大的破坏力，因为它们会对建筑物表面施加压力。
这种压力的强度就是风荷载。
风的影响取决于建筑物的大小和形状。
为了设计和建造更加安全、抗风能力更强的建筑物，以及在建筑物顶部安放天线等物体，计算风荷载很有必要。
方法1用通用公式计算风荷载1 了解通用公式。
风荷载的通用公式是 F = A x P x Cd，其中 F是力或风荷载， A是物体的受力面积， P是风压，而 Cd是阻力系数。
[2] 这个公式在估算特定物体的风荷载时非常有用，但无法满足规划新建筑的建筑规范要求。
2 得出受力面积 A。
它是承受风吹的二维面面积。
[3] 为了进行全面分析，你得对建筑物的每个面各做一次计算。
比如，如果建筑物西侧面的面积为20m2，那就把这个值代入公式中的 A，来计算西侧面的风荷载。
计算面积的公式取决于面的形状。
计算平坦壁面的面积时，可以使用公式面积 = 长 x 高。
公式面积 = 直径 x 高度可以算出圆柱面面积的近似值。
使用国际单位计算时，面积 A应该使用平方米（m2）作为单位。
使用英制单位计算时，面积 A应该使用平方英尺（ft2）作为单位。
3 计算风压。
使用英制单位（磅/平方英尺）时，风压P的简单公式为P =0.00256V^{2}，其中 V是风速，单位为英里/小时（mph）。
[4] 而使用国际单位（牛/平方米）时，公式会变成P = 0.613V^{2}，其中 V的单位是米/秒。
[5]这个公式是基于美国土木工程师协会的规范。
系数0.00256是根据空气密度和重力加速度的典型值计算得出的。
[6]工程师会考虑周围地形和建筑类型等因素，使用更精确的公式。
你可以在ASCE规范7-05中查找公式，或使用下文的UBC公式。
如果你不确定风速是多少，可以查询美国电子工业协会（EIA）标准或其他相关标准，找到你们当地的最高风速。
比如，美国大部分地区都是A级区，最大风速为86.6 mph，但沿海地区可能位于B级区或C级区，前者的最大风速为100 mph，后者为111.8 mph。
常用物体阻力系数
常用物体阻力系数阻力是物体在运动中受到的一种力，其方向与物体的运动方向相反。
物体在运动中受到的阻力大小与速度、物体形状以及介质特性等因素有关。
常用物体的阻力系数是衡量物体受到阻力大小的指标，不同物体的阻力系数也不同。
本文将介绍几种常用物体的阻力系数，并对其特点进行描述。
1. 球体的阻力系数球体是一种常见的物体形状，其阻力系数与球体的直径和介质的黏度有关。
在液体中运动的球体受到的阻力可以用斯托克斯公式来计算，公式中包括球体的半径、速度以及黏度等参数。
在空气中运动的球体则受到的阻力较小，可以近似认为是一个常数，一般情况下空气中球体的阻力系数约为0.47。
2. 长度方向的阻力系数当物体在液体或气体中运动时，与其运动方向平行的阻力称为长度方向的阻力。
长度方向的阻力系数与物体的形状有关。
例如，长方体在液体中运动时受到的长度方向阻力与其宽度和高度有关。
球形物体在液体中运动时受到的长度方向阻力较小，而长条形物体在液体中运动时受到的长度方向阻力较大。
3. 横截面积的阻力系数当物体在液体或气体中运动时，与其运动方向垂直的阻力称为横截面积的阻力。
横截面积的阻力系数与物体的形状有关。
例如，长方体在液体中运动时受到的横截面积的阻力与其长度和宽度有关。
圆柱形物体在液体中运动时受到的横截面积的阻力较小，而长条形物体在液体中运动时受到的横截面积的阻力较大。
4. 粗糙度的阻力系数物体表面的粗糙度也会影响物体受到的阻力大小。
粗糙的物体表面会增加物体与介质之间的接触面积，从而增加物体受到的阻力。
例如，波浪中的船只受到的阻力较大，因为波浪会增加船体与水之间的接触面积。
相反，光滑的物体表面会减小物体受到的阻力。
因此，船舶常常会在船体表面涂上特殊的润滑剂，以减小船体受到的阻力。
5. 形状的阻力系数物体的形状也会影响物体受到的阻力大小。
例如，空气中飞行的飞机受到的阻力较小，这是因为飞机的形状经过了精心设计，能够减小空气对飞机的阻力。
相反，空气中飞行的降落伞受到的阻力较大，这是因为降落伞的形状会增大空气对降落伞的阻力。
工程流体力学5.4绕流阻力与阻力系数
一、 摩擦阻力与压差阻力
1. 摩擦阻力 1) 阻力系数强烈地依赖于雷诺数； 2) 对相同雷诺数，层流态的阻力明显低于湍流态； 3) 对湍流边界层，光滑壁面的阻力最小，粗糙度增加使阻力系
数增大； 4) 摩擦阻力与壁面面积成正比。 2. 压差阻力
物体形状→后部逆压梯度→压强分布→压强合力 用实验方法确定形状阻力→阻力曲线
• 减小压差阻力： 使用翼型使得后面的“尾涡区”尽可能小。也就 是使边界层的分离点尽可能向后推移 。例如采用 流线性物体就可以达到这样的目的。
四、物体阻力的计算
工程上习惯用无因次的阻力系数 CD 来代替阻力 FD
物体的 总阻力,N
FD
CD
1 2
V2 A
无量纲的 阻力系数
CD
1 2
FD
V2 A
无限长圆柱体 有限长圆柱体
椭圆形柱体 流线型柱体
图5-7 几种形状物体的阻力系数
三、物体阻力的减小办法
• 减小摩擦阻力： 可以使层流边界层尽可能的长，即层紊流转变点 尽可能向后推移，计算合理的最小压力点的位置。 在航空工业上采用一种“层流型”的翼型 ，便是 将最小压力点向后移动来减阻，并要求翼型表面 的光滑程度。
二、 不同形状物体的阻力系数
1. 二维钝体
2. 三维钝体
3. 圆球：（1）光滑圆球阻力曲线
Re<<1时
CD 24 Re , FD 3dU
（2）粗糙圆球阻力曲线
Байду номын сангаас
4. 钝体绕体阻力特点： (1) 头部形状 (2) 后部形状
(3) 物体长度 (4) 表面粗糙度
5. 流线型体
无限长方柱体
平板垂直 流动方向 无限长圆柱体
空气阻力计算
空气阻力计算空气阻力是指物体在运动中受到空气阻碍的力量。
在物体移动时，空气分子会因为物体运动引起的压力差而产生阻力。
空气阻力不仅影响速度和运动方向，而且还会导致能量耗损和物体的形变。
在工程设计和科学研究中，准确计算空气阻力对运动中的物体的影响是非常重要的。
通过了解空气阻力的计算方法，可以帮助我们优化设计方案，提高运动物体的性能。
空气阻力的计算方法可以通过流体力学来推导。
根据流体力学公式，空气阻力与物体的形状、速度和介质特性相关。
一般而言，空气阻力可以通过以下公式计算：F = 0.5 * Cd * A * ρ * V^2其中，F为空气阻力的大小，Cd为阻力系数，A为物体的参考面积，ρ为空气密度，V为物体的速度。
阻力系数Cd是指物体在通过空气时相对于一个理想的物体所受到的阻力。
一般情况下，Cd是由实验或数值模拟得出的。
不同形状的物体具有不同的阻力系数。
典型的阻力系数如下：- 理想球形物体：0.47- 平板垂直于运动方向：1.28- 长圆柱体：0.82- 机翼剖面：0.04到1.8之间参考面积A是指物体在运动方向上正交于速度的截面面积。
一般情况下，A可以通过实验或者几何分析得到。
空气密度ρ是指单位体积内的空气质量。
空气密度主要取决于海拔高度、温度和湿度等因素。
一般情况下，空气密度可以通过气象观测数据或者理论计算得到。
物体速度V是指物体在空气中运动的速度。
当速度较慢时，空气阻力可以忽略不计。
但是当速度较快时，空气阻力对物体运动的影响就不容忽视了。
空气阻力的计算可以帮助我们优化物体的设计和性能。
通过减小空气阻力可以提高物体的速度和稳定性。
在运动车辆设计中，通过改变车辆的外形和减小阻力系数可以提高燃油效率。
在空气动力学实验中，通过减小实验装置的阻力可以提高实验的精确度。
总之，空气阻力是运动物体所受到的来自空气的阻碍力量。
通过准确计算空气阻力可以帮助我们更好地理解物体的运动规律和优化设计方案。
空气阻力计算是流体力学的重要应用之一，对于工程设计和科学研究具有重要意义。
圆柱绕流圆球扰流阻力系数
C4.7.2 圆柱绕流与卡门涡街分析钝体绕流阻力的典型例子是圆柱绕流1．圆柱表面压强系数分布无粘性流体绕流圆柱时的流线图如图C4.7.1中虚线所示。
A 、B 点为前后驻点，C 、D 点为最小压强点。
AC 段为顺压梯度区，CB 段为逆压梯度区。
压强系数分布如下图对称的a 线所示。
实际流体绕流圆柱时，由于有后部发生流动分离，圆柱后表面上的压强分布与无粘性流动有很大差别。
后部压强不能恢复到与前部相同的水平，大多保持负值（表压）。
（圆柱后部流场显示）实验测得的圆柱表面压强系数如图C4.7.1中b 、c 线所示，两条线分别代表不同Re 数时的数值。
b 为边界层保持层流时发生分离的情况，分离点约在 = 80°左右；c 为边界层转捩为湍流后发生分离的情况，分离点约在 =120°左右。
（高尔夫球尾部分离）从图中可看到后部的压强均不能恢复到前部的水平。
沿圆柱面积分的压强合力，即压差阻力，以b 线最大，以c 线最小。
从图中还可发现，在尾流分离区内，压强大致是均匀分布，因此沿圆柱表面的压强分布应如图B3.6.3所示。
图C4.7.12．阻力系数随R e 数的变化用量纲分析法分析二维圆柱体绕流阻力F D 与相关物理量ρ、V 、d 、μ的关系，可得(C4.7.13)上式表明圆柱绕流阻力系数由流动Re 数（ρVd /μ）唯一确定。
图C4.7.2为二维光滑圆柱体绕流的C D -Re 关系曲线。
根据阻力与速度的关系及阻力系数变化特点，可将曲线分为6个区域，并画出与5个典型Re 数对应的圆柱尾流结构图案（图C4.7.3)。
θθ图C4.7.2（1）Re＜＜1，称为低雷诺数流动或蠕动流。
几乎无流动分离，流动图案上下游对称（a）。
阻力以摩擦阻力为主，且与速度一次方成比例。
（2）1≤Re≤500，有流动分离。
当Re=10，圆柱后部有一对驻涡（b）。
当Re 〉100时从圆柱后部交替释放出旋涡，组成卡门涡街（c）。
阻力由摩擦阻力和压差阻力两部分组成，且大致与速度的1.5次方成比例。
圆柱绕流的阻力系数
圆柱绕流的阻力系数
圆柱绕流的阻力系数通常称为绕流阻力系数，用符号C_d表示。
该系数是指圆柱在流体中运动时所受到的阻力与流体动压力平方和直径D乘积的比值。
数学表达式为：
C_d = F_d / (0.5 * ρ* v^2 * A)
其中，F_d为圆柱所受到的阻力，ρ为流体的密度，v为流体与圆柱的相对速度，A为圆柱的横截面积。
对于光滑的圆柱绕流，其阻力系数C_d在较低雷诺数（Re）范围内可近似地由斯托克斯公式给出：
C_d = 24 / Re
在较高雷诺数范围内，绕流阻力系数会随着雷诺数的增加而逐渐降低，这是由于湍流的发生和涡街的形成。
在这种情况下，通常采用实验数据或经验公式进行计算。
升力系数和阻力系数公式
升力系数和阻力系数公式问题：圆柱绕流在fluent中如何得到阻力系数和升力系数？具体的设置是怎样的？是要监测得到阻力和升力吗？它们分别怎么设置来得到？答：首先要在report－reference value里设置参考速度和长度然后solve－monitor－force中设置监测drag，lift就可以了阻力和升力是可以得到的，得到之后再除以1/2pV**2S就可以了问题：fluent中升阻力系数如何定义？答：升力系数定义：FLUENT的升力系数是将升力除以参考值计算的动压(0.5*density*(velocity**2)*area=0.5*1.225*(1**2)*1=0.6125)，可以说只是对作用力进行了无量纲化，对自己有用的升力系数还需要动手计算一下，report一下积分的面积和力，自己计算。
其实本身系数就是一个无量纲化的过程，不同的系数有不同的参考值，就像计算Re数时的参考长度，是一个特征长度，反应特征即可作为Cl、Cd也是具有特定含义的系数，参考面积的取法是特定的，比如投影面积等等，但是这个在Fluent里是没有体现的Fluent里面你不做设置，就是照上面的帖子这样计算出来的，并不是你所期望的参考值，自己需要设定，对需要的参考值要做在里面设定另外：参考值的改变不影响迭代计算的过程，只是在后处理一些参数的时候应用到user guide 的相关内容26.8 Reference ValuesSome examples of the use of reference values include the following:Force coefficients use the reference area, density, and velocity. In addition, the pressure force calculation uses the reference pressure.。
自由流场二维圆柱阻力系数数值模拟
数值求解和后处理 三大模块 ， 其核心部分是 Ｎ—Ｓ方程 组的求
解模块 。基于有限体 积方法 ， Ｌ Ｅ Ｔ将计算 区域分割 成很 多 ＦＵ Ｎ 不重复 的控制体积 ， 每个 网格点周 围有一个 控制 体积 ， 在控制 体积上对待解的微分方程积 分 ， 出一组离 散方程 （ 知数为 得 未 网格点上 的因变量 ） 加上边 界条件 和初始条件 ， ， 求解方程组 中
种力的合力在人流方 向上的分量即常说的阻力 ， 在垂直于人流
方 向上 的分 量 即升 阻 力 。
型， 包括 一 ｓ模 型 、 ∞和雷诺应力 传递模 型等 ， 以求解复 一 可
杂结构中的热力学问题 、 燃烧问题及流体 问题 等 ， 包括前处理 、
圆柱在黏性不可压流体 流场 中的阻力系数 随雷诺数 （ ） 胁 的变化而变化 。 Ｒ 当 ｅ＜１ ， 时 阻力系数很大 ； １＜Ｒ 当 ｅ＜３ｘ １ 时 ， ０ 阻力 系数随 ｅ 增大而近乎单调减小。 当 ０＜Ｒ ｅ＜４时， 流线基本对称 ， 特征是在任意流体单元 ， 因压力差异 而产生 的力 和摩擦力几 乎相 等 ， 流态如 图 １ ａ （ ）所
人
民
黄
河
Ｖｏ ． １ ３２． ．１ Ｎｏ
ＹＥＬ ＬＯＷ ＲＩ ＶＥＲ
Ｊｎ ２ １ ａ ．，０ ０
【 利水 电工 程 】 水
自由流 场 二维 圆柱 阻 力 系数 数值 模 拟
赵 二 平 ， 贾小兵
（． １ 三峡大学 三峡库 区地 质灾害教育部 重点实验 室， 湖北 宜昌 ４ ３０ ； ． ４ ０ ２ ２ 武汉大 学， 湖北 武汉 ４ ０ ７ ； ３０ ２
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13. 在 Result and Geometry Resolution 对 话框定义求解结果的精度为 7 并且接受自 动确定的最小间隙尺寸和最小壁面厚度。
点击 Finish 。这个项目得到创建并且自动生成 3D 的计算域。 在这个例子中我们仅仅想确定圆柱体的阻力系数，不需要考虑相应的 3D 的效应。因 此为了减少计算机资源的耗费，我们将在这个例子中进行 2D 的计算。
流体的速度， 是密度， 是动力粘度。圆柱体的阻力系数如下式定义：
CD
FD 1 U 2 DL 2
此处 FD 是沿流动方向上作用在圆柱体直径 D 和长度 L 上总的力。 这个仿真的目的是 通过 EFD.Pro 来获取圆柱体阻力系数并且与 Ref.1 中的实验数据进行比较。 复制 Tutorial 2 - Drag Coefficient 文件夹进入到你的工作目录，此外由于 EFD.pro 在运行时会对其输入的数据进行存储，所以必须确保文件处于非只读状态。运行 EFD.Pro。
对于 X(Y, Z)方向分力和 X(Y, Z) 方向扭矩目标，你可以选择目标计算时所采用的坐标系。 在这个例子中默认的全局坐标系可以满足要求。
4. 点击 OK。新的 GG X - Component of Force 1 项 出现在 EFD.Pro 分析树。
定义方程目标
在计算完成之后，你需要用力的值来手动计算阻力系数。然而，要 EFD.Pro 做出所有 的计算，你需要定义一个方程目标。 1. 2. 点击 Flow Analysis, Insert, Equation Goal。 在 EFD.Pro 分 析 树 选 择 GG X Component of Force 1 目标。它将出现 在 Expression 框中。
EFD.Pro 8 教程
5－1
第五章 圆柱阻力系数
点 击 File, Open 。 在 File Open 对 话 框 , 浏 览 Tutorial 2 - Drag Coefficient\cylinder 0.01m 文件夹找到 cylinder_001m.asm 组件。点击 Open。 这个 Cylinder 分析是了一个典型的 EFD.Pro External 分析。
EFD.Pro 8 教程
5－5
第五章 圆柱阻力系数
定义一个 2D 平面流动
1. 2. 在 EFD.Pro 分析树, 展开 Input Data 图标。 右 击 Computational Domain 图 标 并 且 选 择 Edit Definition 。 Computational Domain 对 话框出现。 点击 Boundary Condition 页。 在 2D plane flow 列 表 选 择 XY-Plane Flow( 因 为 Z-axis 是 圆 柱 的 轴 线 ) 。 在 Computational Domain 的 Z min 和 Z max 处自动定义为 Symmetry 边界条件。
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5－6
第五章 圆柱阻力系数
定义一个全局目标
1. 2. 点击 Flow Analysis, Insert, Global Goals。 在 Parameter 表 格 勾 择 Component of Force 第一列。 X -
3.
接受勾选的 Use for Conv 。 收敛控制的 目标。
点击 Next。 5. 因为在这个项目中以水作为流体, 打开 Liquids 文件夹并且双击 Water 项。
点击 Next。
EFD.Pro 8 教程
5－3
第五章 圆柱阻力系数
6.
在 Wall Conditions 对话框你可以定义应 用到与流体相接触壁面的默认壁面条件。
在这个项目中， 我们保持默认的 Adiabatic wall 设置 , 假设所有的模型壁面都是绝热的并且壁面 的粗糙度为 0。 点击 Next。 对于 External 问题，诸如这个例子中的圆柱体 , Initial and Ambient Conditions 对话框会要求你定义稳定自由流体的环境流动条件。因此你要定义 Computational Domain 内的初始条件和 Computational Domain 上的边界条件。这个环境条件是 工程热力学参数（默认情况下静压和温度），流速，湍流参数。 在这个项目中我们在默认的热力学参数条件下进行分析 ( 即在一个标准大气压下 ), 此 外根据雷诺数设定入口流体（ X 向）的速度。 为了方便起见我们可以通过使用 Dependency 框以雷诺数定义入口流体的流速。 7. 点 击 Velocity in X direction 区 域 。 Dependency 按钮被激活。 点击 Dependency。 Dependency 对话框 出现。
9. 在 Dependency type 列表选择 Formula Definition 。
EFD.Pro 8 教程
5－4
第五章 圆柱阻力系数
10. 在 Formula 框 以雷 诺 数的 形式 定 义流 体速 度 的公 式 ： 1*(0.0010115/0.01/998.19) 这里: 1 –雷诺数 (Re) 0.0010115 (Pa*s) –在温度为 293.2 K时水的动力粘度 ( ) 0.01 (m) – 圆柱体直径 (D) 998.19 (kg/m3)- 在温度为 293.2 K时水的密度 ( ) 11. 点击 OK。返回到 Initial and Ambient Conditions 对话框。 在计算之前想对流体的湍流状况获得良好的估计是非常困难的所以我们推荐使用默认 的湍流参数。EFD.Pro 默认情况下对外部流动的湍流值推荐是 0.1% ，对于内部流动 为 2% ，并且这些值适用于绝大多数的场合。在这个例子中我们定义的湍流强度为 1% 。 12. 展 开 Turbulence parameters 项 并 且 在 Turbulence intensity 框输入 1。
复制项目并且创建一个新的配置
1. 在 EFD.Pro 分析树, 右击上部 RE1 图标并且选择 Clone Project 。
2.
在 Configuration name 框输入 RE100 例子通过贴赋项目 的方式得到创建。
因为这个新项目是 RE1 EFD.Pro 项目的一个拷贝,所以你只要改变当雷诺数为 1000 时相应的流速值。除了 Units, Result and Geometry Resolution 的设置，使用 General Settings 对话框改变所有 Wizard 定义的数据。 General Settings 通常描述了当前项目的状态参数。你也可以应用 General Settings 到 Wizard 中所做的正确设置或者根据新项目的要求修改利用 EFD.Pro Template 创建的项
首先创建一个新的 EFD.Pro 项目。
创建项目
1. 点击 Flow Analysis, Project, Wizard 。这个项目向导会指导你一步一步完成整 个项目的特性定义。在这个例子中我们将分析流体在雷诺数为 1 的时，流过圆柱 体的情况。 选 择 Create new 。 在 Configuration name 框输入 RE1。这是用 EFD.Pro 创 建例子的文件名。
第五章 圆柱阻力系数
圆柱阻力系数
EFD.Pro 可以用于研究物体周围的流动和确定由于流动所造成物体上的升力和牵引阻 力。在这个例子中我们利用 EFD.Pro 确定一个浸没在均匀流体中的圆柱体阻力系数。 这个圆柱的轴线与流体流向垂直。
在雷诺数 1、1000、105 三种情况下进行计算 Re
UD ，D 圆柱的直径， U
8.
使用 Dependency 你可以以几种方式定义数据：常数、随 x, y, z, r , , 坐标和时间 （仅仅是瞬态的时候）变化的表格和公式。这个 r 是从参考坐标系（Global Coordinate System 在 Wizard 和 General Settings 对话框中设置）中选择的 Reference axis 到某一 点的距离，而 和 分别是球形坐标系的极角和方位角。因此, 通过 r, , 和 坐 标的结合，你可以在圆柱或球形坐标系中定义数据。
5.
EFD.Pro 8 教程
5－7
第五章 圆柱阻力系数
对 EFD.Pro 计算结果和 Ref.1 中的实验结果曲线进行比较，我们需要获得雷诺数分 别在 1, 103 和 105 时的结果。和雷诺数为 1 时相类似 cylinder_001m.asm 还被用 于计算雷诺数在 103 时的流动状况。 cylinder_1m.asm 被用于计算雷诺数在 105 时 的流动状况。
3.
使用计算器上的按钮或键盘输入如下表达 式：
{GG X - Component of Force 1}/(0.002*(1*0.0010115)^2)*(2*998.19*0.01)。 4. 选择 Dimensionality 列表中的 No units 并且点击 OK。 新的 Equation Goal 1 项出现在 EFD.Pro 分析树. 重命名 Equation Goal 1 为 Drag Coefficient。
3. 4.
点击 Size 页。 你可以看到基于模型的尺寸 Z min 和 Z max 边界条件被自动定义。 因此在先前圆柱阻力系数 (CD) 公式中出现的圆柱参考长度等于 L = Z max-Z min = 0.002 m。
对于绝大多数的例子,想研究一个物体的外部流场和观察改变设计所造成的影响时，推荐 使用默认的由 EFD.Pro 确定的 Computational Domain 尺寸。然而在我们这个例子中， 我们将对 EFD.Pro 计算结果和实验结果的比较，另外我们想以一个更高精度求解设定来 获取阻力系数。为了能消除在 Computational Domain 边界处由于圆柱存在所造成来流受 到的扰动影响，我们将手动的设定远离圆柱体的求解域。由于放大了 Computational Domain 来提高计算精度，所以需要花费额外的计算机资源。