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无量纲的摩擦阻力细述

当一个物体被置于运动粘性流体中(或在粘性流体中运动)时,物体均会受到流体的力的作用,在流动方向上物体对流体的作用力称为阻力。阻力包括物面粘性切应力引起的摩擦阻力和物体后部流动分离引起的压差阻力(通常以后者为主)。物体的形状对压差阻力有很大的影响,所以压差阻力又称为形状阻力;绕流物体的阻力是压差阻力和摩擦阻力综合作用的结果。因此,物体所受摩擦力和压力的大小及二者的变化是分析绕流阻力的基础。


摩擦阻力FDF的产生与有粘流体流过物面时引起的粘性切应力有关。根据牛顿粘性定律,粘性切应力与流体粘度系数和速度梯度成正比。对同一种流体,物面上不同速度分布产生的粘性切应力不同。


流体作用在物面上的压强合力引起的阻力。实际流体绕流非流线型物体时,在背流面处容易发生边界层分离形成旋涡,后部的压强减小,因此物体前部流体区域与后部流体区域形成压强差,由此产生了压差阻力。物体后部边界层部分分离区域越大、分离速度越快,物体后部压强损失越大,则形成的压差阻力就越大。


虽然广一水泵绕流阻力的形成过程从物理方面分析已比较清楚,但由于流场运动的复杂性,在数学上还难以建立工程实用的流动方程式,想通过面积积分求解一个任意形状物体的阻力,目前还是难于实现的。而工程应用中,有时往往对绕流物体阻力的具体数值并不十分关注,而关注的往往是不同形状的绕流体所受的绕流阻力的大小的比较,即对绕流阻力的定性分析比较。以下仅从数学、物理学方面,从阻流物体受力角度出发,以泵腔中的半球缺为研究对象,对绕流阻力的形成原因、大小及作用规律做定性分析,从理论上解析半球缺阻流体无阀压电泵单向泵送流体的原因。

图1:正、反向流动半球缺受力示意图

正、反向流动半球缺受力示意图

(a)正向流动受力图(b)反向流动受力图

广一管道泵流体中的运动物体,其前部型体运动引起的阻力要比尾部形状引起的阻力复杂得多。前部阻力一方面是由流体的静压力形成,另一方面还由于前进的型体对前面的流体进行强力扰动(推动)形成。


现在再来分析正、反向流动时,分别作用到球面和圆面上的摩擦力和正压力的关系。正向来流,在球面迎流面上同时受到摩擦力和正压力作用,其中摩擦力很小此处忽略;反向来流时,圆面迎流面上的摩擦力沿物面垂直方向分布,在水平方向无分量,所以迎流面上只受到正压力的作用。


半球缺阻流体无阀压电泵正是利用了流体流经球面和圆面时所受到的阻力不同,其中绕流过球面时受到的阻力远小于绕流过圆面时受到的阻力,即球面的绕流阻力系数远小于圆面的绕流阻力系数,致使流体由左右管口同时流入泵腔时,由左入口流入的体积远多于右出口流入的体积;排出时,由右出口排出的体积远多于左入口排出的体积,由此实现了该无阀泵的单向泵送功能。



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点击次数:  更新时间:2018-05-10 08:57:39  【打印此页】  【关闭