【正文】 氣被帶著也會(huì)快起來(lái)，越靠近車廂的空氣流速越快，越遠(yuǎn)的地方空氣流速越慢。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?，F(xiàn)在我們就不難明白兩艘船之間所以會(huì)有引力的原因了。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。在普通的溝里，溝壁不動(dòng)，水在動(dòng)；這里卻是相反的，是水不動(dòng)，溝壁在動(dòng)。不過(guò)從這里產(chǎn)生的力的作用卻一點(diǎn)也沒改變：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。換句話說(shuō)，兩艘輪船的相對(duì)兩側(cè)從水里受到的壓力要比兩船外側(cè)部分受到的壓力要小。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)也沒有移動(dòng)。這就是為什么大船很快地在小船旁邊駛過(guò)的時(shí)候會(huì)出現(xiàn)特別強(qiáng)大的引力的緣故?？梢姶恢g的引力是由于流水的吸引作用造成的。急流對(duì)于洗澡的人的危險(xiǎn)也可以用這個(gè)來(lái)解釋?？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。受到這種力量吸引的人是不容易站住的，特別是在水里，當(dāng)我們身體本身的重量不能使自己保持穩(wěn)定的時(shí)候。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。此外，如從流體作用力的角度，則可分為流體靜力學(xué)、流體運(yùn)動(dòng)學(xué)和流體動(dòng)力學(xué)；從對(duì)不同“力學(xué)模型”的研究來(lái)分，則有理想流體動(dòng)力學(xué)、粘性流體動(dòng)力學(xué)、不可壓縮流體動(dòng)力學(xué)、可壓縮流體動(dòng)力學(xué)和非牛頓流體力學(xué)等。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。體育流體力學(xué)研究一方面的工作是為了解決高性能器材的設(shè)計(jì)問(wèn)題。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。另一方面的工作是為運(yùn)動(dòng)員運(yùn)動(dòng)技術(shù)的改進(jìn)和完善提供科學(xué)的依據(jù)。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)。一、F1賽車F1是一個(gè)計(jì)算流體力學(xué)市場(chǎng)需求很大的體育項(xiàng)目。20世紀(jì)90年代初期，一些F1方程式車隊(duì)開始采用計(jì)算流體力學(xué)方法提高他們賽車的流體力學(xué)性能。在F1的設(shè)計(jì)過(guò)程中，過(guò)去往往只能采用昂貴的風(fēng)洞試驗(yàn)，但是由于時(shí)間和經(jīng)費(fèi)的限制，不可能進(jìn)行大量的試驗(yàn)。因此，設(shè)計(jì)師們開始先進(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。這種設(shè)計(jì)方法改變了F1賽車的空氣動(dòng)力設(shè)計(jì)過(guò)程。 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。F1車隊(duì)開始使用計(jì)算流體力學(xué)去迅速了解車周圍甚至車內(nèi)正在發(fā)生什么樣的流動(dòng)。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。計(jì)算流體力學(xué)技術(shù)能夠更快地、更便宜地評(píng)估流動(dòng)問(wèn)題，并且風(fēng)險(xiǎn)會(huì)比常規(guī)的試驗(yàn)方法更小，計(jì)算流體力學(xué)也提供了比風(fēng)洞試驗(yàn)多得多的流動(dòng)數(shù)據(jù)。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。二、帆船 帆船是一種水上休閑娛樂(lè)項(xiàng)目，風(fēng)靡全球，它是一個(gè)大家族，種類很多。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。在規(guī)則允許的范圍內(nèi)，運(yùn)用計(jì)算流體力學(xué)技術(shù)，對(duì)帆船的龍骨和附屬物進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，以獲得在不同海況條件下具有的最好性能，為贏得比賽創(chuàng)造了條件。 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。風(fēng)帆空氣動(dòng)力性能研究較為復(fù)雜?，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。自此，許多學(xué)者開展了相關(guān)研究，然而由于軟帆尺度效應(yīng)的復(fù)雜性，還很少有實(shí)際的適用價(jià)值。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。Milgram首先利用渦格理論進(jìn)行了一系列帆動(dòng)力研究，利用升力線理論分析迎風(fēng)時(shí)帆的外形，同時(shí)利用渦格升力面法分析了帆的外形對(duì)帆動(dòng)力的影響，對(duì)于粘性的影響也進(jìn)行了討論。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。Charvet進(jìn)行了帆船迎風(fēng)航行時(shí)的計(jì)算，在不考慮帆上流動(dòng)分離情況下，可以將誤差控制在10%以內(nèi)。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)。由于帆比較薄，對(duì)帆周圍的空氣流動(dòng)用渦格法計(jì)算，在帆上分布偶極子，在尾流上分布渦面。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。在帆面與尾流的交界線上，通過(guò)滿足Kutte條件，使升力問(wèn)題和尾流得到耦合。帆的調(diào)整要考慮單帆，更要考慮帆之間的相互影響。當(dāng)帆船逆風(fēng)航行時(shí)候，勢(shì)流理論可以利用面元法得到作用在帆上的空氣動(dòng)力分布。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。最近，粘性和流固耦合對(duì)于帆空氣動(dòng)力的影響研究飲起了人們的注意。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。由于能源危機(jī)等因素，我國(guó)掀起了風(fēng)能研究的熱潮。為備戰(zhàn)巴塞羅那奧運(yùn)會(huì)，武漢理工大學(xué)開展了帆板和風(fēng)帆空氣動(dòng)力性能研究。采用一定縮尺比的模型，在風(fēng)洞中對(duì)風(fēng)帆進(jìn)行了氣動(dòng)性能試驗(yàn)研究。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。這些研究為風(fēng)帆的調(diào)整提供科學(xué)依據(jù)，奠定了我國(guó)帆船帆板運(yùn)動(dòng)的理論基礎(chǔ)。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。通過(guò)淺水興波阻力的研究，發(fā)現(xiàn)在水深3m的時(shí)候，在比賽速度下，八人賽艇會(huì)出現(xiàn)興波阻力的峰值。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)。并且研究發(fā)現(xiàn)賽艇的阻力特性與常規(guī)的船艇的阻力特性有很大的差別。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。在槳葉的研究方面，通過(guò)利用循環(huán)水槽研究了一種老式的槳葉隨攻角、浸水深度等參數(shù)變化的流體動(dòng)力性能。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。研究表明，影響槳葉性能的主要因素分別是頻率、浸水深度、攻角。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?！?0176。左右。皮劃艇槳葉在空中沒有固定的支撐點(diǎn)，運(yùn)動(dòng)軌跡不定，水動(dòng)力特性更為復(fù)雜。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)。 未來(lái)我國(guó)重要加強(qiáng)限制水深、自由液面下船艇非定常運(yùn)動(dòng)的水動(dòng)力性能、槳葉出入水的水動(dòng)力性能預(yù)報(bào)研究，槳葉與槳葉以及槳葉與船艇之間干擾的研究，同時(shí)還要加強(qiáng)反問(wèn)題的研究，逐步形成一套船艇和槳葉的設(shè)計(jì)理論和方法。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)。1979年Schleihauf提出了手掌上產(chǎn)生升力對(duì)推進(jìn)的作用，改變了手掌向后僅用“阻力”來(lái)推進(jìn)的觀念，并首次對(duì)手掌的升力、阻力系數(shù)進(jìn)行了測(cè)試。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。近幾年來(lái)，一些學(xué)者借鑒魚類推進(jìn)的成果，開始應(yīng)用流體力學(xué)理論來(lái)揭示游泳的推進(jìn)機(jī)理，Huub應(yīng)用環(huán)流理論研究自由泳的推進(jìn)機(jī)理，在游泳池中，測(cè)量和顯示了自由泳手臂上的流速分布和環(huán)量，闡述了自由泳時(shí)手臂的作用類似于船舶推進(jìn)時(shí)螺旋槳的作用觀點(diǎn)。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)人們已開始研究漩渦的產(chǎn)生于游泳推進(jìn)機(jī)理的關(guān)系。 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)。五、自行車、摩托車 計(jì)算流體力學(xué)在自行車上的研究應(yīng)用非常廣泛。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)。自行車盤狀車輪的出現(xiàn)就是流體力學(xué)的一項(xiàng)研究成果。人們推測(cè)在一定條件下盤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。通過(guò)計(jì)算流體力學(xué)分析表明，盤狀車輪具有絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)。但是，盤狀車輪的側(cè)向力大約是輻狀車輪的兩倍。所以，盤狀車輪采用對(duì)選手的技術(shù)帶來(lái)了更高的要求，這一研究結(jié)果為技術(shù)的改進(jìn)和完善指明了方向。[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。我國(guó)的流體力學(xué)在體育項(xiàng)目中也開展了許多應(yīng)用研究，特別是在水上運(yùn)動(dòng)方面開展了長(zhǎng)期系統(tǒng)的研究工作，但是與國(guó)際同行相比還有不小差距。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)。第二節(jié) 都江堰工程中流體力學(xué)的應(yīng)用一、都江堰工程簡(jiǎn)介都江堰水利工程位于成都平原扇形三角洲頂部、四川都江堰市(原灌縣)附近的岷江干流上，是戰(zhàn)國(guó)時(shí)期蜀郡守李冰在公元前256251年間率領(lǐng)勞動(dòng)人民修建的。渠首樞紐的主要工程設(shè)施包括：百丈堤、都江魚嘴、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。在以上設(shè)施中，魚嘴、飛砂堰、寶瓶口為3大主要設(shè)施，有“都江堰3大件”之稱。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。下面對(duì)它們作詳細(xì)介紹。二、魚嘴——分水堤“魚嘴”是都江堰的分水工程，因形如魚嘴而得名。它昂首于岷江干流江心洲上，起第一級(jí)分水排砂作用。它把岷江分成內(nèi)外二江。西邊叫外江，俗稱“金馬河”，是岷江正流，用于泄洪輸砂；東邊沿山腳的叫內(nèi)江，將岷江部分水量引導(dǎo)到地勢(shì)較高的寶瓶口，用于灌溉。李冰的治水三字經(jīng)有云：“分四六，平潦早”，這是指魚嘴的功用。在枯水季節(jié)，魚嘴將六成的水量引入內(nèi)江，以滿足下游灌區(qū)用水需要，僅將四成的水量排到外江；而在洪水季節(jié)，魚嘴使岷江六成的水量進(jìn)入外江，內(nèi)江僅引進(jìn)四成的水量。從流體力學(xué)的觀點(diǎn)來(lái)看，“魚嘴分四六”的原理由兩個(gè)因素決定：流線位置和過(guò)水?dāng)嗝婷娣e。主流線是河流沿程各橫斷面中最大垂線平均流速所在點(diǎn)的連線。反映了水流最大動(dòng)量的所在。都江堰所在河段為天然彎道，主流線的位置隨流量的變化而異，具有“低水傍岸，高水居中”的特點(diǎn)。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。綜合以上兩點(diǎn)，我們做以下分析：枯水季節(jié)時(shí)，水的流速慢，慣性作用弱，主流線曲率大，主流靠近凹岸，加上內(nèi)江過(guò)水?dāng)嗝娲笥谕饨?，因此在魚嘴作用下，大部分水量流入內(nèi)江；洪水季節(jié)時(shí)，水的流速快，慣性作用強(qiáng)，主流離開凹岸，居于河道中間，加上此時(shí)外江過(guò)水?dāng)嗝娲笥趦?nèi)江，因此魚嘴將大部分水量送入外江。綜上所述，只要選定魚嘴的適當(dāng)位置，就可以按照需要調(diào)節(jié)內(nèi)外江分水的比例。三、飛砂堰——泄洪道“飛砂堰”的命名源自其顯著的泄洪排砂功能。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。枯水季節(jié)時(shí)，飛砂堰阻擋內(nèi)江水流入外江，將其引入寶瓶口；洪水季節(jié)時(shí)，內(nèi)江多余的水越過(guò)飛砂堰流入外江；如遇特大洪水，它還會(huì)自行潰堤，讓大量江水回歸岷江正流。而飛砂堰更重要的功用是“飛砂”。岷江從萬(wàn)山叢中急馳而來(lái)，挾著大泥沙、石塊，飛砂堰將其大部分引入外江，保證了寶瓶口和灌區(qū)的河道暢通。解釋“飛砂”的原理需要先理解“彎道螺旋流”的形成。“彎道螺旋流”是指河流流經(jīng)彎道時(shí)產(chǎn)生的橫向環(huán)流，這是由橫向力的合力矩造成的。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”。橫向環(huán)流將泥沙石塊由凹岸帶向凸岸。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。從引水的角度，飛砂堰不能過(guò)低，否則寶瓶口的引水量無(wú)法滿足灌溉要求；而從排砂的角度，飛砂堰也不能過(guò)高，否則環(huán)流無(wú)法形成，泥砂無(wú)法越過(guò)飛砂堰。選擇適宜的堰頂