生活中的流体力学
流体力学在生活中的应用和原理
流体力学在生活中的应用和原理1. 简介流体力学是研究流体运动的力学学科，它涉及了各个方面的科学与工程领域，从大自然的河流和海洋到我们生活中的水龙头和空气流动等等都与流体力学相关。
本文将重点介绍流体力学在生活中的应用和原理。
2. 流体力学的基本原理流体力学主要研究流体的运动和受力情况，其基本原理包括以下几个方面：(1) 亨利定律亨利定律是流体力学的基本定律之一，它描述了埋在液体中的物体所受的浮力等于它排开的液体的重力。
这个原理可以解释我们在水中浮起来的原因。
(2) 科氏定律科氏定律是描述在液体中流动的物体所受到的科氏力的定律。
科氏力与流体的速度和密度相关，它可以帮助我们理解物体在水中运动时所受的阻力和压力。
(3) 费曼定律费曼定律是描述在液体流动中的能量守恒定律，它指出在流体中的任何一点，流体的总能量保持恒定。
这个原理可以帮助我们解释流体在管道中的压力变化和能量转换。
3. 流体力学在生活中的应用流体力学在我们日常生活中有很多实际应用，以下是一些典型的例子：(1) 水力学水力学是研究液体在静止和流动状态下的运动规律的学科。
它在水力工程中有广泛的应用，例如水坝的设计、水流的控制和下水道的建设等。
水力学还被应用于生活中的给水系统、下水道和排水系统的设计与管理，确保城市的供水和排水系统正常运行。
(2) 空气动力学空气动力学是研究空气运动规律的学科，它在航空工程和汽车设计等领域有重要应用。
通过空气动力学的研究，可以改善飞机和汽车的气动性能，减小飞机和汽车的阻力，提高其运行效率。
(3) 管道流动在石油工业和化工工程中，流体力学被广泛应用于管道流动问题的研究和设计。
通过流体力学的分析，可以确定管道的直径和长度，优化管道网络的结构，提高物质输送的效率和安全性。
(4) 气象学气象学是研究大气中各种现象和气候系统的科学，流体力学是研究大气流动的重要基础。
通过流体力学的原理，可以解释大气中的气旋、风向和气压等现象，为气象预报和气候变化研究提供了基础。
生活中的流体力学
三、层流与湍流我们平常生活中经常遇到那些黏糊糊的液体，大家都知道那是因为该流体黏性大。
在流体力学的范畴里，即便是水这种清爽的流体，其实也是有黏性的。
黏性具有阻碍流动的特性，所以黏性高的东西给人黏黏糊糊的感觉，黏性低的东西给人清清爽爽的感觉。
通俗点来说，黏性强的东西不容易搅和在一起。
有黏性的流体会产生粘性力，比如将黏性较大的，也是大家平常喜欢的奶昔和水分别滴在由木板构成的斜坡上，水会很顺畅的流下去，而奶昔会很快停止运动。
再举个例子，想象一下体育课长跑训练的情景。
快跑组和慢跑组正在并排进行跑步训练。
这是慢跑组的A同学混进了快跑组里，这种情况下，快跑组不得不减速，因为不减速有些同学就会撞到跑得慢的A同学。
那假如快跑组的B同学混到了慢跑组呢。
那慢跑组也需要提速，不然也会撞到B同学。
从动量的角度来说，慢跑组从快跑的B同学那里得到了更大的动能，看起来就像是被添加了外力一样。
我们平常开车，如果道路上的一条车道上一辆车开的很慢，那在他后面所有的车都要减速；如果有一辆车跑的很快，那么所有车都要加速。
实际上，这个使其加速或者减速的力正是黏性力。
黏性力是因为流体粒子而产生的力，时发生在流体内部的力。
那我们在流体力学里面经常看到“理想流体”和“黏性流体”的概念。
实际上生活中的流体都是黏性流体，都具有黏性。
与管道壁相互接触发生摩擦的部分流速最慢，像被壁拉着一样，这其实适合河流的流动情况一样，河流的中间流速最快，两岸流速比较慢。
之前讲过的伯努利定理和动量守恒定律其实都是针对理想流体而言的。
理想流体没有黏性，即使施加外力也不会被压缩。
很多人会说，这种理想流体在现实中又不存在，研究的意义在何处呢？在理解流体运动的特性以及进行模拟计算的时候，理想流体是非常有必要的。
首先需要借助理想流体来理解流动，然后再综合考虑黏性等因素。
通过学习黏性，可以对加深对身边实际流体的理解。
流动中产生的涡旋也是黏性流体的特征。
涡旋的产生也是黏性影响的结果。
伯努利原理在生活中的应用
伯努利原理在生活中的应用伯努利原理，亦称为贝努利定理，是描述流体运动的重要原理之一。
它揭示了当流体在速度增加的同时，其压力会减小的规律。
伯努利原理在飞行、水利、气象等领域得到广泛的应用。
本文将从多个角度介绍伯努利原理在生活中的应用。
1. 飞行领域1.1 飞机升力在飞机起飞和飞行的过程中，翼型产生了不同的上、下表面压强差异。
上表面速度较快，压强较小，而下表面速度较慢，压强较大。
根据伯努利原理，上表面压强较小会产生一个向上的升力，而下表面压强较大则产生一个向下的压力。
这种升力的产生使得飞机能够克服重力，实现飞行。
1.2 乘客氧气面罩在飞机高空巡航时，由于外部气压下降，乘客面临缺氧的风险。
此时，乘客氧气面罩会从机舱顶部弹射出来，并通过橡胶管输送氧气。
面罩内部加压，以确保乘客能够获得足够的氧气。
这一设计基于伯努利原理，通过增加面罩内部速度，降低了内部压强，从而推动了氧气的输送。
2. 水利领域2.1 水龙头喷射当我们打开水龙头时，水从龙头中流出，并通过一个小孔喷射出来。
水在流动过程中受到小孔的约束，速度增加，压强降低。
根据伯努利原理，这会导致水流周围的大气压力大于水流内部的压力，从而形成一个向外的压力，使得水流能够远离水龙头。
2.2 喷泉原理喷泉是一种通过水流喷射形成的装饰艺术。
当水从喷泉底部喷射出来时，其速度增加，压强降低。
根据伯努利原理，周围的大气压力大于水流内部压力，从而产生向上的浮力。
这种浮力使得喷泉水柱能够维持垂直向上的喷射状态。
3. 汽车运动在汽车运动中，空气动力学是一个重要的考虑因素。
伯努利原理揭示了当汽车高速行驶时，对车身前进方向的阻力会减小。
这是因为空气在汽车前部流动时，速度增加，压强减小。
根据伯努利原理，压强较大的空气会推动车身前进，减少了阻力。
4. 可乐喷泉在一个打开的可乐瓶子上方，我们往往可以观察到一股气体从瓶口喷射出来，形成一个小喷泉。
这是因为可乐中溶解了大量的二氧化碳气体，当我们打开瓶盖时，减小了瓶内气压。
流体力学在生活中的应用
流体力学在生活中的应用
流体力学在生活中起着至关重要的作用，为我们的生活提供了便利。
1、风机：风机可利用流体力学原理，使用动力带动叶轮旋转，从而把外界的大气中的热能转换成机械能，从而实现各种功能，如：阻塞空气的大功率风扇，冷却器，风力发电机等。
2、涡轮机：涡轮机也是利用流体力学原理，使气体或蒸汽通过涡轮到叶轮中，由于旋转叶轮和气体或蒸汽的阻力，叶轮转动时会带动涡轮机的轴转动，从而实现机械能的转换。
3、船体：船体在水中的行驶感受到的抗力，都是流体力学的结果。
一般情况下，船体一侧与水面表面的摩擦力和船体所受水流的阻力是二者中最主要的抗力，可以通过流体力学来研究。
4、水利工程：水利工程中涉及到非常多的流体力学，比如：水泵利用流体力学原理，把低能状态的水转换成它所需要的能量；水桨也利用流体力学原理，把水流中的能量转换成船体所需要的能源，来推进船体的行驶。
伯努利原理在生活中的应用
伯努利原理在生活中的应用伯努利原理是描述了液体或气体在速度增加时压力下降的物理定律。
伯努利原理在流体力学中有广泛的应用，不仅在科学研究中发挥着重要的作用，同时也在我们日常生活中产生了一系列的实际应用。
本文将探讨伯努利原理在生活中的应用，并为你提供一些有趣的实例。
一、喷气式发动机喷气式发动机是伯努利原理应用的典型例子之一。
在飞机喷气式发动机中，引擎将空气吸入后通过压缩产生高速气流，然后将燃料喷入气流中引发燃烧，产生高压、高速的燃气流，从喷嘴喷出。
根据伯努利原理，当气流速度增加时，气流周围的压力会降低。
喷气式发动机的喷气口处速度非常高，使得周围空气的压力降低，从而产生了推力，推动飞机向前飞行。
二、飞机起飞和降落伯努利原理也解释了为什么飞机可以实现起飞和降落。
当飞机在跑道上起飞时，由于飞机的机翼上安装有形状特殊的翼型，通过增加机翼的上弯曲程度，使得上表面的风速比下表面风速更快，根据伯努利原理，上表面压力较小，而下表面压力较大，从而飞机得到了向上的升力，实现了起飞。
同样地，当飞机降落时，机翼的形状和调整使得下表面的风速加快，因此下表面的压力下降，上表面的压力上升，形成了向上的升力，从而使得飞机保持悬浮的状态。
三、吸管原理在日常生活中，我们常常会使用吸管。
吸管呈长方形截面的管道，当我们用嘴吸取吸管上端的液体时，我们可以观察到吸管内的液体向上移动。
这是因为在吸管中形成了负压，根据伯努利原理，液体在负压下会向压力较低的地方移动。
由于吸管内空气被吸取而形成的负压，使得液体被吸入吸管内，并通过吸管到达我们口中。
四、喷气式洗手器喷气式洗手器是现代公共卫生间中常见的设备之一。
喷气式洗手器采用高速的气流将水分隔开并通过喷嘴喷出，确保用户在用洗手器时能够避免接触到他人的污染。
这种设计依赖于伯努利原理，高速的气流在喷孔周围形成了低压区域，将水分隔开并将其喷出。
这种设计不仅更加卫生，同时还节省了用水量。
五、飞机上的通风系统在飞机上，通风系统的设计也利用了伯努利原理。
流体力学在生活中的原理
流体力学在生活中的原理
流体力学研究流体运动规律,它的基本原理在许多日常生活场景中都有体现:
1.空气动力学
空气是一种流体,飞机机翼产生升力与下压力,雨伞产生上升气流,都是空气动力学原理的应用。
2.水流运动
排水管道的设计考虑流体黏滞性;水库大坝的设计针对水流冲击压力与涡流。
这些都运用了流体静力学。
3.空调与风扇
空调、电扇通过叶片旋转产生气流circulate,这是利用了流体运动原理。
调节出风口形状也会影响空气流动模式。
4.水龙头流量
水龙头的流量取决于水压与开口大小。
我们通过拧松或拧紧水龙头可以控制流出的水流量。
这demonstration 了连续流体流动规律。
5.运动速度
运动员游泳时手掌的形状、抬举时机都根据水的流体特性设计,以获得更强推力。
6.鱼雷设计
鱼雷的流线型头部设计是应用流体动力学原理,减少水流阻力、增强速度。
7.油漆喷涂
调整喷涂的气压和角度可以控制油漆颗粒在空气中运动的状态,实现精细均匀的喷涂效果。
我们生活中的许多简单现象,都与流体运动规律密切相关,流体力学为人类生活带来许多便利。
生活中的流体力学
弧旋球
足球在没有旋转下 水平运动的情形， 当足球向前运动， 空气就相对于足球 向后运动
足球只有旋转而没 有水平运动的情形， 当足球转动时，四 周的空气会被足球 带动，形成旋风式 的流动
水平运动和旋转 两种运动同时存 在
弧旋球
这时候，足球左面空气流动的速 度较左面大。根据流体力学的伯 努利方程 (ρgh+(1/2)*ρv^2p=c)，流体速度较大的地方气压 会较低，因此足球左面的气压较 右面低，产生了一个向左的力。 结果足球一面向前走，一面承受 一个把它推向左的力，造成了弯 曲球。原来我们在日常生活中也 经常应用这个原理使物体在流体 中的运动方向改变，例如飞机和 帆船的运作都是基于这个原理。
卡门涡街频率
卡门涡街起因流体流经阻流体时，流体从阻流体两侧剥离，形成交替的涡流。这种 交替的涡流，使阻流体两侧流体的瞬间速度不同。流体速度不同，阻流体两侧受到 的瞬间压力也不同，因此使阻流体发生振动。振动频率与流体速度成正比，与阻流 体的正面宽度成反比
f=SrV/d
f=卡门涡街频率 Sr=斯特劳哈尔数 V=流体速度 d=阻流体迎面宽度
卡门涡街
在流体中安置阻流体，在特定条件下会出现不 稳定的边界层分离，阻流体下游的两侧，会产 生两道非对称地排列的旋涡，其中一侧的旋涡 循时针方向转动，另一旋涡则反方向旋转，这 两排旋涡相互交错排列，各个旋涡和对面两个 旋涡的中间点对齐
圣克里斯多福背负耶稣化身的儿童
卡门涡街
2007年美国“陆地卫星7”，拍摄的阿 留申群岛后的卡门涡街
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课件 制作
学的奠基人之一，是我国著名科学家钱学森、钱伟长、郭永怀，以及关藉华人科 学家林家翘在关国加州理工学院学习时的导师。
在一定条件下的定常来流绕过某些物体时，物体 两侧会周期性地脱落出旋转方向相反、排列规则 的双列线涡，经过非线性作用后，形成卡门涡街
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生活中的流体力学
流体力学在工业、农业、交通运输、天文学、地学、生物学、医学等方面得到广泛应用。
通过湍流的理论和实验研究，了解其结构并建立计算模式；多相流动；流体和结构物的相互作用；边界层流动和分离；生物地学和环境流体流动等问题；有关各种实验设备和仪器等。
具体运用事例如下：
1、在供热通风和燃气工程中：热的供应，空气的调节，燃气的输配，排毒排湿，除尘降温等等，都是以流体作为介质，通过流体的各种物理作用，对流体的流动有效的加以组织实现的。
2、在建筑工程和土建工程中：如基坑排水、路基排水、地下水渗透、地基坑渗稳定处理、围堰修建、海洋平台在水中的浮性和抵抗外界扰动的稳定性等。
3、在市政工程中：如桥涵孔径设计、给水排水、管网计算、泵站和水塔的设计、隧洞通风等，特别是给水排水工程中，无论取水、水处理、输配水都是在水流动过程中实现的。
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流体力学：
流体力学是在人类同自然界作斗争和在生产实践中逐步发展起
来的。
中国有大禹治水疏通江河的传说。
秦朝李冰父子（公元前3
世纪）领导劳动人民修建了都江堰，至今还在发挥作用。
大约与此同时，罗马人建成了大规模的供水管道系统。
对流体力学学科的形成作出贡献的首先是古希腊的阿基米德。
他建立了包括物体浮力定理和浮体稳定性在内的液体平衡理论，奠定了流体静力学的基础。
此后千余年间，流体力学没有重大发展。
15世纪意大利达·芬奇的著作才谈到水波、管流、水力机械、鸟的飞翔原理等问题。
17世纪，帕斯卡阐明了静止流体中压力的概念。
但流体力学尤其是流体动力学作为一门严密的科学，却是随着经典力学建立了速度、加速度，力、流场等概念，以及质量、动量、能量三个守恒定律的奠定之后才逐步形成的。
发展
17世纪力学奠基人I. 牛顿研究了在液体中运动的物体所受到的阻力，得到阻力与流体密度、物体迎流截面积以及运动速度的平方成正比的关系。
他对粘性流体运动时的内摩擦力也提出了以下假设：即两流体层间的摩阻应力同此两层的相对滑动速度成正比而与两层间
的距离成反比（即牛顿粘性定律）。
之后，法国H. 皮托发明了测量流速的皮托管；达朗贝尔对运河中船只的阻力进行了许多实验工作，证实了阻力同物体运动速度之间
的平方关系；瑞士的L. 欧拉采用了连续介质的概念，把静力学中压力的概念推广到运动流体中，建立了欧拉方程，正确地用微分方程组描述了无粘流体的运动；伯努利从经典力学的能量守恒出发，研究供水管道中水的流动，精心地安排了实验并加以分析，得到了流体定常运动下的流速、压力、管道高程之间的关系——伯努利方程。
欧拉方程和伯努利方程的建立，是流体动力学作为一个分支学科建立的标志，从此开始了用微分方程和实验测量进行流体运动定量研究的阶段。
从18世纪起，位势流理论有了很大进展，在水波、潮汐、涡旋运动、声学等方面都阐明了很多规律。
法国J.-L. 拉格朗日对于无旋运动，德国H. von 亥姆霍兹对于涡旋运动作了不少研究.上述的研究中，流体的粘性并不起重要作用，即所考虑的是无粘流体，所以这种理论阐明不了流体中粘性的效应。
理论基础
将粘性考虑在内的流体运动方程则是法国C.-L.-M.-H. 纳维于1821年和英国G. G. 斯托克斯于1845年分别建立的，后得名为纳维-斯托克斯方程，它是流体动力学的理论基础。
由于纳维-斯托克斯方程是一组非线性的偏微分方程，用分析方法来研究流体运动遇到很大困难。
为了简化方程，学者们采取了流体为不可压缩和无粘性的假设，却得到违背事实的达朗伯佯谬——物体在流体中运动时的阻力等于零。
因此，到19世纪末，虽然用分析法的流体动力学取得很大进展，但不易起到促进生产的作用。
与流体动力学平行发展的是水力学（见液体动力学）。
这是为了满足生产和工程上的需要，从大量实验中总结出一些经验公式来表达流动参量之间关系的经验科学。
使上述两种途径得到统一的是边界层理论。
它是由德国L. 普朗特在1904年创立的。
普朗特学派从1904年到1921年逐步将N-S 方程作了简化，从推理、数学论证和实验测量等各个角度，建立了边界层理论，能实际计算简单情形下，边界层内流动状态和流体同固体间的粘性力。
同时普朗克又提出了许多新概念，并广泛地应用到飞机和汽轮机的设计中去。
这一理论既明确了理想流体的适用范围，又能计算物体运动时遇到的摩擦阻力。
使上述两种情况得到了统一。
飞机和空气动力学的发展
20世纪初，飞机的出现极大地促进了空气动力学的发展。
航空事业的发展，期望能够揭示飞行器周围的压力分布、飞行器的受力状况和阻力等问题，这就促进了流体力学在实验和理论分析方面的发展。
20世纪初，以茹科夫斯基、恰普雷金、普朗特等为代表的科学家，开创了以无粘不可压缩流体位势流理论为基础的机翼理论，阐明了机翼怎样会受到举力，从而空气能把很重的飞机托上天空。
机翼理论的正确性，使人们重新认识无粘流体的理论，肯定了它指导工程设计的重大意义。
机翼理论和边界层理论的建立和发展是流体力学的一次重大进展，它使无粘流体理论同粘性流体的边界层理论很好地结合起来。
随着汽轮机的完善和飞机飞行速度提高到每秒50米以上，又迅速扩展
了从19世纪就开始的，对空气密度变化效应的实验和理论研究，为高速飞行提供了理论指导。
20世纪40年代以后，由于喷气推进和火箭技术的应用，飞行器速度超过声速，进而实现了航天飞行，使气体高速流动的研究进展迅速，形成了气体动力学、物理-化学流体动力学等分支学科。
分支和交叉学科的形成
从20世纪60年代起，流体力学开始了流体力学和其他学科的互相交叉渗透，形成新的交叉学科或边缘学科，如物理-化学流体动力学、磁流体力学等；原来基本上只是定性地描述的问题，逐步得到定量的研究，生物流变学就是一个例子。
以这些理论为基础，20世纪40年代，关于炸药或天然气等介质中发生的爆轰波又形成了新的理论，为研究原子弹、炸药等起爆后，激波在空气或水中的传播，发展了爆炸波理论。
此后，流体力学又发展了许多分支，如高超声速空气动力学、超音速空气动力学、稀薄空气动力学、电磁流体力学、计算流体力学、两相(气液或气固)流等等。
这些巨大进展是和采用各种数学分析方法和建立大型、精密的实验设备和仪器等研究手段分不开的。
从50年代起，电子计算机不断完善，使原来用分析方法难以进行研究的课题，可以用数值计算方法来进行，出现了计算流体力学这一新的分支学科。
与此同时，由于民用和军用生产的需要，液体动力学等学科也有很大进展。
20世纪60年代，根据结构力学和固体力学的需要，出现了计算弹性力学问题的有限元法。
经过十多年的发展，有限元分析这项新的
计算方法又开始在流体力学中应用，尤其是在低速流和流体边界形状甚为复杂问题中，优越性更加显著。
21世纪以来又开始了用有限元方法研究高速流的问题，也出现了有限元方法和差分方法的互相渗透和融合。