【正文】 運(yùn)動(dòng)中的阻力[J] . ，8 (90)[4]席聰聰，[J]。以這句話與各位同學(xué)朋友共勉，希望自己能夠記取少年時(shí)的夢(mèng)想，永不言棄?！鞍凑兆约旱姆绞?，去度過(guò)人生。最后，我要感謝我的父親母親，我永遠(yuǎn)也不會(huì)忘記您們的良苦用心，是你們保證了我的求學(xué)。感謝同一小組的同學(xué)們對(duì)于我的鼓勵(lì)與建議。您的指導(dǎo)意見(jiàn)一直給我很大的啟發(fā)。這篇論文是在導(dǎo)師林老師的悉心指導(dǎo)下完成的。所幸的是我并沒(méi)有被失敗擊倒，而是選擇了重拾信心，再次出發(fā)，繼續(xù)奮斗。最近的幾個(gè)月同時(shí)經(jīng)歷著考研的失利與畢業(yè)論文的準(zhǔn)備和撰寫(xiě)。致謝很感慨我就要寫(xiě)畢業(yè)論文的致謝辭了。后一方面主要包括：通過(guò)湍流的理論和實(shí)驗(yàn)研究，了解其結(jié)構(gòu)并建立計(jì)算模式；多相流動(dòng)；流體和結(jié)構(gòu)物的相互作用；邊界層流動(dòng)和分離；生物地學(xué)和環(huán)境流體流動(dòng)等問(wèn)題；有關(guān)各種實(shí)驗(yàn)設(shè)備和儀器等。但是人類對(duì)流體力學(xué)并沒(méi)有完全了解，比如一些復(fù)雜的流體運(yùn)動(dòng)人類還是無(wú)法用系統(tǒng)科學(xué)的理論去解釋，只能憑靠經(jīng)驗(yàn)去解決許多問(wèn)題，所以流體力學(xué)還有很大的發(fā)展前景。實(shí)際工程中的問(wèn)題千差萬(wàn)別，層出不窮，這就需要流體力學(xué)工作者不斷的發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，運(yùn)用所學(xué)解決問(wèn)題。從阿基米德到現(xiàn)在的二千多年，特別是從20世紀(jì)以來(lái)，流體力學(xué)已發(fā)展成為基礎(chǔ)科學(xué)體系的一部分，同時(shí)又在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通運(yùn)輸、天文學(xué)、地學(xué)、生物學(xué)、醫(yī)學(xué)等方面得到廣泛應(yīng)用。 計(jì)算流體力學(xué)應(yīng)用研究中的關(guān)鍵問(wèn)題包括了對(duì)應(yīng)用于各種具體情況的數(shù)學(xué)模型和對(duì)復(fù)雜外形的描述以及對(duì)計(jì)算網(wǎng)格劃分進(jìn)行進(jìn)一步研究，探索更有效的算法來(lái)提高計(jì)算精度，并降低計(jì)算費(fèi)用和進(jìn)一步在各方面的應(yīng)用等計(jì)算流體力學(xué)正在進(jìn)入汽車設(shè)計(jì)的許多領(lǐng)域，考慮到我國(guó)汽車行業(yè)中試驗(yàn)設(shè)備與開(kāi)發(fā)經(jīng)費(fèi)相對(duì)缺乏的具體情況，計(jì)算流體力學(xué)的應(yīng)用更具有特別重要的意義。即對(duì)于相對(duì)定常流動(dòng)，只要計(jì)算一對(duì)葉片間的流動(dòng)即可。應(yīng)用計(jì)算流體力學(xué)技術(shù)，以內(nèi)部部分流體為研究對(duì)象，對(duì)用旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系表示的基本方程用有限差分法進(jìn)行離散，然后用高速計(jì)算機(jī)求解，得到內(nèi)部流場(chǎng)以及有關(guān)的性能參數(shù)值。用有限容積法來(lái)離散控制方程，用SIMPLE算法來(lái)求解離散后得到的代數(shù)方程，為提高效率，還推導(dǎo)并應(yīng)用了新的考慮密度變化的壓力修正方程并采用了一些提高計(jì)算效率與精度的新方案。 80年代以來(lái)．國(guó)外一些研究單位和企業(yè)相繼開(kāi)展了氣道三維流動(dòng)模擬方面的研究，且已取得了較大的進(jìn)展，目前氣道的幾何模型已趨近實(shí)際氣道，流動(dòng)分析的計(jì)算精度也可達(dá)到5%以內(nèi)。運(yùn)用計(jì)算流體力學(xué)方法對(duì)氣道內(nèi)氣體流動(dòng)進(jìn)行模擬計(jì)算，可以獲得氣道內(nèi)壓力、流速等參數(shù)的分布規(guī)律，并建立氣道形狀與其特性(包括流量系數(shù)、渦流比等)的關(guān)系，為設(shè)計(jì)與改進(jìn)提供依據(jù)。進(jìn)、排氣道是汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵部件之一，其優(yōu)劣影響到汽車的經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性和有害物排放的水平。汽車車身周圍流場(chǎng)的模擬從相對(duì)比較方面來(lái)看已較為成功，但要能夠真正實(shí)際應(yīng)用于設(shè)計(jì)中，計(jì)算精度還有待進(jìn)一步提高。據(jù)報(bào)道，求得的空氣阻力的預(yù)測(cè)誤差可達(dá)到5%以內(nèi)。將試驗(yàn)樣車車身劃分為7個(gè)部分，即車體、車體前部和后部、前后車輪及周圍部分和前后輪軸及相關(guān)部分，并將各個(gè)部分進(jìn)一步劃分為形狀和精度不完全相同的計(jì)算網(wǎng)格，網(wǎng)格總數(shù)大約共有127萬(wàn)個(gè)。在給水排水工程中，水在給水排水管網(wǎng)中的流動(dòng)，給水處理廠和污水處理廠中的水的流動(dòng)，水源（江河湖海） 地下水流動(dòng)，水井，井水抽升與輸送等諸多問(wèn)題都需要應(yīng)用流體力學(xué)知識(shí)去解決。例如：給水排水，供熱通風(fēng)，燃?xì)夤?yīng)等工程都要對(duì)流體進(jìn)行凈化或加熱等處理，以及通過(guò)管道或渠道輸送給用戶和車間，在其設(shè)備和系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，運(yùn)行管理及施工中也會(huì)遇到一系列的流體力學(xué)問(wèn)題需要解決，在廢水，廢氣對(duì)環(huán)境污染的影響，涉及鐵路和公路的橋梁，路基的排水，隧洞通風(fēng)等設(shè)施時(shí)，也需要用到很多流體力學(xué)知識(shí)。大氣和水環(huán)境對(duì)建筑物和構(gòu)筑物的作用是長(zhǎng)期的，多方面的，其中臺(tái)風(fēng)，洪水通過(guò)直接摧毀房屋，橋梁，堤壩，造成巨大的自然災(zāi)害；另一方面，興建大型廠礦，公路，鐵路，橋梁，隧道，江海堤壩和水壩等，都會(huì)對(duì)大氣和水環(huán)境造成不利影響，導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境惡化，甚至加重自然災(zāi)害，這方面國(guó)內(nèi)外都已有慘痛教訓(xùn)，只有處理好土木工程與大氣和水環(huán)境的關(guān)系，才能更好的做土木建設(shè)。可以說(shuō)，流體力學(xué)已成為土木工程各領(lǐng)域共同的專業(yè)理論基礎(chǔ)。流體力學(xué)廣泛應(yīng)用于土木工程的各個(gè)領(lǐng)域。由于高鐵的速度高，進(jìn)出隧道時(shí)都會(huì)產(chǎn)生活塞效應(yīng)，搞不好還有“空氣炮”，所以也要用到流體力學(xué)來(lái)解決這些問(wèn)題。高速鐵路隧道的空氣動(dòng)力學(xué)效應(yīng)?；邮┕r(shí)一般要考慮地下水的，降水怎么計(jì)算也要用到流體力學(xué)。而大跨度柔性橋梁的抗風(fēng)性能就是空氣動(dòng)力學(xué)的一個(gè)典型應(yīng)用。都江堰工程中所蘊(yùn)涵的樸素而深刻的中國(guó)式智慧，永遠(yuǎn)值得我們中國(guó)人傳承和發(fā)揚(yáng)!第三節(jié) 土木工程中流體力學(xué)的應(yīng)用在道路橋梁交通中，橋涵水力學(xué)問(wèn)題，路邊排水，大橋水下施工中的水力學(xué)問(wèn)題，路基，路邊滲水等諸多問(wèn)題都需要應(yīng)用流體力學(xué)知識(shí)去解決。相比之下，兩級(jí)分水排砂、無(wú)壩引水的都江堰工程，延續(xù)大禹治水的思想，因地制宜，因勢(shì)利導(dǎo)，確為古今中外水利工程中的奇葩。魚(yú)嘴除了分水，也因彎道螺旋流作用而使表層含砂少的水流入內(nèi)江，底層含砂多的水流入外江；而飛砂堰與寶瓶口除了排砂引水，其位置的設(shè)定也有同于魚(yú)嘴的分水作用。處于凹岸的寶瓶口正對(duì)表層水流，以“正面取水”之勢(shì)將較清澈的河水引到下游進(jìn)行灌溉；而處于凸岸的飛砂堰正對(duì)底層水流，以“側(cè)面排砂”之勢(shì)將較渾濁的河水引入外江。合理安排寶瓶口與飛砂堰的位置，即可實(shí)現(xiàn)都江堰第二級(jí)分水排砂的功能。四、寶瓶口——引水口寶瓶口起“節(jié)制閘”作用，能自動(dòng)控制內(nèi)江進(jìn)水量，是前山(今名灌口山、玉壘山)伸向岷江的長(zhǎng)脊上鑿開(kāi)的一個(gè)口子。選擇適宜的堰頂高度，才能協(xié)調(diào)引水與排砂的矛盾。李冰的治水三字經(jīng)有云：“深淘灘，低作堰”，這里“低作堰”旨在說(shuō)明飛砂堰高度的選取很重要。在力矩作用下，河流在向前流動(dòng)的同時(shí)伴隨有橫向環(huán)流，即“彎道螺旋流”。解釋“飛砂”的原理需要先理解“彎道螺旋流”的形成。而飛砂堰更重要的功用是“飛砂”。飛砂堰是都江堰3大件之一，看上去十分平凡，其實(shí)它的功用非常之大，可以說(shuō)是確保成都平原不受水災(zāi)的關(guān)鍵要害。綜上所述，只要選定魚(yú)嘴的適當(dāng)位置，就可以按照需要調(diào)節(jié)內(nèi)外江分水的比例。內(nèi)江位于凹岸一側(cè)，外江位于凸岸一側(cè)，且凹岸一側(cè)河床較深，這使得水位不同時(shí)，內(nèi)外江的過(guò)水?dāng)嗝婷娣e關(guān)系發(fā)生變化。反映了水流最大動(dòng)量的所在。從流體力學(xué)的觀點(diǎn)來(lái)看，“魚(yú)嘴分四六”的原理由兩個(gè)因素決定：流線位置和過(guò)水?dāng)嗝婷娣e。李冰的治水三字經(jīng)有云：“分四六，平潦早”，這是指魚(yú)嘴的功用。它把岷江分成內(nèi)外二江。二、魚(yú)嘴——分水堤“魚(yú)嘴”是都江堰的分水工程，因形如魚(yú)嘴而得名。它們充分利用了流體力學(xué)的原理，將都江堰的引水、分洪、排砂功能有機(jī)地結(jié)合在一起。渠首樞紐的主要工程設(shè)施包括：百丈堤、都江魚(yú)嘴、金剛堤、飛砂堰、人字堤和寶瓶口等，其作用為分水、泄洪、排砂、引水和護(hù)岸。今后，要加強(qiáng)與運(yùn)動(dòng)隊(duì)密切合作，為我國(guó)競(jìng)技體育和全民健身的發(fā)展做出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。[7] 流體力學(xué)已經(jīng)成功應(yīng)用到許多體育項(xiàng)目中，但是仍然還有許多處女地等待開(kāi)發(fā)，隨著計(jì)算機(jī)的大型化，計(jì)算流體力學(xué)技術(shù)在體育領(lǐng)域中的應(yīng)用也越來(lái)越成熟，流體力學(xué)日益成為體育運(yùn)動(dòng)的一個(gè)重要研究方法和手段，在競(jìng)技運(yùn)動(dòng)中起的作用也越來(lái)越大。但是，盤(pán)狀車輪的側(cè)向力大約是輻狀車輪的兩倍。人們推測(cè)在一定條件下盤(pán)狀車輪的作用像一面帆可以產(chǎn)生一個(gè)與阻力方向相反的前進(jìn)力，因而減少了選手騎行時(shí)的凈阻力。自行車的空氣動(dòng)力性能研究還包括自行車的彎道的空氣動(dòng)力性能，競(jìng)速自行車的盤(pán)狀輪胎和輻條輪胎的空氣動(dòng)力性能比較，選手騎行的姿勢(shì)，自行車團(tuán)體賽的隊(duì)形的阻力問(wèn)題等等，這些研究為器材的改進(jìn)和運(yùn)動(dòng)員技術(shù)的完善提供了科學(xué)依據(jù)。 未來(lái)我國(guó)要注重加強(qiáng)自由液面條件下人體姿態(tài)的阻力特性、手的推進(jìn)性能研究，在揭示游泳機(jī)理的同時(shí)還要注重與運(yùn)動(dòng)技術(shù)研究相結(jié)合，為競(jìng)賽和訓(xùn)練成績(jī)的提高提供更直接的指導(dǎo)。經(jīng)過(guò)研究了游泳時(shí)“前驅(qū)動(dòng)”和“后驅(qū)動(dòng)”兩種推進(jìn)方式的機(jī)理，認(rèn)為上肢和下肢擺動(dòng)時(shí)形成的漩渦產(chǎn)生了推進(jìn)力。近幾年來(lái)對(duì)人體在水中的游泳姿勢(shì)的模型試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，定常時(shí)測(cè)得的升力系數(shù)與阻力系數(shù)與運(yùn)動(dòng)時(shí)測(cè)得的數(shù)據(jù)不符，這一現(xiàn)象引起了學(xué)者們研究非定常游泳推進(jìn)機(jī)理的興趣。四、游泳 利用流體力學(xué)原理進(jìn)行游泳機(jī)理的研究成為當(dāng)今國(guó)際運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)新的熱點(diǎn)。通過(guò)循環(huán)水槽的實(shí)驗(yàn)，研究了各種參數(shù)對(duì)皮劃艇槳葉水動(dòng)力性能的影響，特別是研究了槳葉離船邊的距離對(duì)槳葉的干擾特性，為運(yùn)動(dòng)員正確的下槳提供了科學(xué)的依據(jù)。左右。推進(jìn)效率最高的區(qū)域位于槳桿與船艇垂直時(shí)的角度附近，即槳架前后25176。分別采用了數(shù)值模擬和循環(huán)水槽實(shí)驗(yàn)的方法對(duì)賽艇槳葉水動(dòng)力性能進(jìn)行了研究，分析了攻角、浸水深度、斜角、槳頻、幅度等各種參數(shù)對(duì)常用的賽艇槳葉性能的影響。研究還發(fā)現(xiàn)，不同艇的摩擦阻力差別不大，總阻力的差異主要體現(xiàn)在興波阻力上，因此深入加強(qiáng)賽艇的興波阻力的研究極為重要。這些研究結(jié)果，為確定新修的賽場(chǎng)的水深提供了依據(jù)。三、賽艇、皮劃艇 在船型的水動(dòng)力性能方面，Scragg對(duì)前人的全尺度賽艇拖拽水池實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了總結(jié)分析，并給排水量下進(jìn)行了船型參數(shù)的仿射變換和船型優(yōu)化、對(duì)八人賽艇拖拽實(shí)驗(yàn)并采用計(jì)算流體力學(xué)方法進(jìn)行了系列研究，并討論了水深對(duì)阻力性能的影響。研究了不同參數(shù)對(duì)氣動(dòng)性能的影響以及不同帆失速角大小，通過(guò)帆的極圖給出了帆的攻角、扣角以及風(fēng)帆與人體的相對(duì)位置之間的關(guān)系等多種參數(shù)對(duì)風(fēng)帆氣動(dòng)性能影響的研究。為備戰(zhàn)巴塞羅那奧運(yùn)會(huì)，武漢理工大學(xué)開(kāi)展了帆板和風(fēng)帆空氣動(dòng)力性能研究。我國(guó)的風(fēng)帆空氣動(dòng)力性能研究始于20世紀(jì)80年代。但是，再好的帆調(diào)整，也存在流動(dòng)分離的問(wèn)題，這就會(huì)影響計(jì)算的最后精確度。帆的調(diào)整要考慮單帆，更要考慮帆之間的相互影響。在近十幾年，這種方法計(jì)算很有效，特別是在尾流動(dòng)力計(jì)算上。在計(jì)算過(guò)程中，每步計(jì)算都可以得出帆上的力和力矩，然后利用牛頓方程得到帆船的加速度、船的速度和姿態(tài)。Greeley利用升力線方法和經(jīng)驗(yàn)粘性修正方法對(duì)于迎風(fēng)時(shí)帆的動(dòng)力性能進(jìn)行了數(shù)值模擬。麻省理工學(xué)院Kerwin等人1974年對(duì)兩條帆船實(shí)測(cè)得到一些全尺度的記錄數(shù)據(jù)，被他們內(nèi)部所引用?，F(xiàn)代風(fēng)帆的空氣性能系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究最早大概可以追溯到1925年Curry所做的工作。 風(fēng)帆推進(jìn)追求高的升力系數(shù)，風(fēng)帆船工作的工況復(fù)雜，有船體和海面邊界存在，入射風(fēng)又受海面梯度風(fēng)的影響，因此。帆船是流體力學(xué)在體育項(xiàng)目中得到成功應(yīng)用的又一個(gè)領(lǐng)域。F1方程式賽車氣動(dòng)布局的計(jì)算流體力學(xué)研究，不僅設(shè)計(jì)出了新型的器材，而且通過(guò)這些研究還建立起了多種新型的器材設(shè)計(jì)方法。計(jì)算流體力學(xué)使得昂貴耗時(shí)的汽車修改之前進(jìn)行大量直觀的流體因果關(guān)系分析。 如今，每個(gè)車隊(duì)都有一個(gè)擁有風(fēng)洞群和計(jì)算流體力學(xué)空氣動(dòng)力部門(mén)。因此，設(shè)計(jì)師們開(kāi)始先進(jìn)行計(jì)算流體力學(xué)數(shù)值模擬試驗(yàn)，在大量的計(jì)算流體力學(xué)模擬試驗(yàn)的基礎(chǔ)上優(yōu)選出一些性能較好的外觀車型再進(jìn)行風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)，這樣大大節(jié)省了費(fèi)用和時(shí)間。20世紀(jì)90年代初期，一些F1方程式車隊(duì)開(kāi)始采用計(jì)算流體力學(xué)方法提高他們賽車的流體力學(xué)性能。通過(guò)對(duì)器材和運(yùn)動(dòng)員運(yùn)動(dòng)技術(shù)動(dòng)作的流體動(dòng)力性能的進(jìn)一步研究，使運(yùn)動(dòng)員能夠熟悉掌握器材的性能，更高效地完成技術(shù)動(dòng)作，從而取得更加優(yōu)異的成績(jī)。通過(guò)對(duì)各種運(yùn)動(dòng)器材的力學(xué)特性的進(jìn)一步研究，使我們能夠設(shè)計(jì)和制造出流體動(dòng)力性能更加優(yōu)秀、強(qiáng)度更高、重量更輕的運(yùn)動(dòng)器材。第一節(jié) 體育工程學(xué)中流體力學(xué)的應(yīng)用體育運(yùn)動(dòng)中的流體力學(xué)研究主要包括空氣和水動(dòng)力性能兩個(gè)方面。第三章 流體力學(xué)在工程實(shí)際中的應(yīng)用流體力學(xué)既包含自然科學(xué)的基礎(chǔ)理論，又涉及工程技術(shù)科學(xué)方面的應(yīng)用?？梢运愠?，河里的水流在用每秒一米的普通速度前進(jìn)的時(shí)候，就有30公斤力量在吸引著人的身體?？梢?jiàn)船只之間的引力是由于流水的吸引作用造成的。船在外側(cè)的水的壓力下一定會(huì)相向運(yùn)動(dòng)，而比較小的船只自然會(huì)移動(dòng)得顯著些，比較大的船幾乎仍舊留在原處，一點(diǎn)也沒(méi)有移動(dòng)。不過(guò)從這里產(chǎn)生的力的作用卻一點(diǎn)也沒(méi)改變：在這條能動(dòng)的溝的狹窄部分，水對(duì)溝壁所施加的壓力比它對(duì)輪船周圍空間所施的壓力要小。當(dāng)兩艘輪船平行地航行著的時(shí)候，在它們的船舷中間就好像有了一條溝。還是根據(jù)伯努利原理，靠近車廂的地方壓力小，遠(yuǎn)離車廂的地方壓力大，二者之間有壓力差，因此，在站臺(tái)上候車，如果你靠鐵軌太近，就會(huì)感覺(jué)后面好像有人推你往前，很可能造成交通事故，其實(shí)是因?yàn)閴毫Σ畎涯阃七^(guò)去的。在相同的條件下，上旋球比不轉(zhuǎn)球的飛行弧度要低下旋球正好相反，球要向反方向旋轉(zhuǎn)，受到向上的力，比不轉(zhuǎn)球的飛行弧度要高。跟不轉(zhuǎn)球相比，旋轉(zhuǎn)球因?yàn)樾D(zhuǎn)而受到向下的力，飛行軌跡要向下彎曲。現(xiàn)在考慮球的旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)動(dòng)軸通過(guò)球心且垂直于紙面，球逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。不轉(zhuǎn)球水平向左運(yùn)動(dòng)時(shí)周圍空氣的流線。球類比賽中的＂旋轉(zhuǎn)球＂具有很大的威力。汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的汽化器,與噴霧器的原理相同。噴霧器是利用流速大、壓強(qiáng)小的原理制成的。由伯努利方程可知,機(jī)翼上方的壓強(qiáng)小,下方的壓強(qiáng)大。下面的幾個(gè)例子就是伯努利原理的體現(xiàn)：飛機(jī)為什么能夠飛上天?因?yàn)闄C(jī)翼受到向上的升力。伯努利在1726年首先提出時(shí)的內(nèi)容就是：在水流或氣流里，如果速度小，壓強(qiáng)就大，如果速度大，壓強(qiáng)就小。