[科普中國]-粘性阻力

簡介

由于液體的粘性對運(yùn)動(dòng)物體產(chǎn)生的阻力。粘性阻力包括摩擦阻力和粘性壓差阻力。摩擦阻力產(chǎn)生于水對船本表面的粘著作用，在船舶行駛總阻易中占比重最大達(dá)50%以上?？s短鉿長，減少船的浸水面積可減小摩擦阻力。粘性壓差阻力是因粘性引起船旨、尾壓力差而產(chǎn)生，其值同船體、特別是船尾部形狀有關(guān)。采用流線形和加大船體長寬比可減小粘性壓差阻力。2

性質(zhì)粘性阻力來自繞物體流動(dòng)肘的粘性影響，它是摩擦阻力和形狀阻力之和，并且對于不同形狀的物體或船舶，它們之間的關(guān)系可在很大范圍內(nèi)變化。

當(dāng)船舶或其它物體沿液面運(yùn)動(dòng)時(shí)，其阻力是摩擦阻力與興波阻力之和。若用實(shí)驗(yàn)的方法將這些分量分離出來還需要運(yùn)用附加的假設(shè)。對于在連續(xù)介質(zhì)中或深潛在自由液面之下的運(yùn)動(dòng)物體可進(jìn)行粘性阻力的研究；同樣的，對于沿自由液面運(yùn)動(dòng)的，其速度不會(huì)引起興波的船舶和模型也可進(jìn)行粘性阻力的研究。

從繞流結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和粘性阻力系數(shù)隨物體的雷諾準(zhǔn)數(shù)的變化關(guān)系出發(fā)，可將物體分為流線型物體或非流線型物體。

對于流線型物體，邊界層將平順地自尾緣離去，并在物體后面形成一個(gè)具有連續(xù)分布的旋渦的、而通常是湍流流態(tài)的伴流區(qū)。這種物體的粘性阻力的70~100%是摩擦阻力。

對于非流線型物體，在繞它流動(dòng)時(shí)邊界層將發(fā)生離體，而流體動(dòng)力尾跡在柱形物體的后面將由渦列組成，或在空間物體的后面將由更復(fù)雜的套圈式的旋渦組成。這些物體的粘性阻力基本上(有時(shí)是全部)由形狀阻力組成。3

降低粘性阻力的方法因?yàn)檎承宰枇υ诖爸傋枇Φ钠胶庵衅鹬饕淖饔?，而對深潛物體而言，在多數(shù)情形下它甚至占這個(gè)數(shù)量的100%，所以研究降低它的途徑是一個(gè)很重要的任務(wù)。對于流線型的物體，因?yàn)樗鼈兊男螤钭枇Σ淮?，所以主要的注意力?yīng)放在降低摩擦阻力的方法上面。4

減小形狀阻力1、采用流線型外形

被繞流體如采用圓頭、尖尾細(xì)長剖面形的流線型體，由于其上所形成的逆壓梯度較和緩，流體質(zhì)點(diǎn)能夠克服逆壓與粘性摩擦而流至尾部。這樣，采用流線型體就能阻止或至少推遲邊界層的分離，從而達(dá)到減小形狀阻力的目的。諸如水泵、水輪機(jī)的葉片和機(jī)翼等采用流線型體，就是這個(gè)道理。

2、邊界層控制

對于一些剖面形狀或尺寸有特定要求的物體，如其表面逆壓梯度又很大時(shí)，為了避免邊界層分離，必須采取邊界層控制的辦法：前緣縫翼是航空上采用的一種控制邊界層的方法。這是在主翼前端安裝一個(gè)小的輔翼(圖1a)，二翼間留有一個(gè)進(jìn)口寬，出口窄的小隔縫，流體經(jīng)它流向機(jī)翼的上表面時(shí)，流速加快，于是便增加了上表面邊界層流體的動(dòng)能。這樣就可以使上表面邊界層不致在翼前部發(fā)生分離。在壁面上開縫，把邊界層內(nèi)遲滯下來的流體吸走，流來新的，具有較大動(dòng)能的流體，這樣也能避免邊界層的分離(圖1b)。這是控制邊界層、避免分離的又一個(gè)辦法。這個(gè)辦法，首先被勃朗特應(yīng)用于阻止管道擴(kuò)大處的邊界層分離。4

減小摩擦阻力采取上述措施后，避免或推遲了邊界層的分離，從而形狀阻力大為降低，這時(shí)，摩擦阻力便突出了起來。為了進(jìn)二步減小粘性阻力，便需要降低摩擦阻力了。

由于層流邊界層在物面上所產(chǎn)生的切應(yīng)力要比紊流小的多，故為了減小摩擦阻力，應(yīng)使物面上的層流邊界層盡可能地長，也就是應(yīng)使層流邊界層轉(zhuǎn)變?yōu)槲闪鬟吔鐚拥霓D(zhuǎn)換點(diǎn)盡可能往后推移毒由于加速流動(dòng)比減速流動(dòng)更容易使邊界層保持層；流，…因此只要把繞流物體的最大速度點(diǎn)位置盡可能盾移，也就是把披繞流物體；．洳翼型)的最大厚度點(diǎn)位置盡可能向后移，就可以使邊界層保持盡可能長的層流段，從而達(dá)到減小摩擦阻力的目的。但須注意，這時(shí)對物面租糙度要求很嚴(yán)，否則邊界層仍舊保持不了層流。4