阻力方程

✍ dations ◷ 2025-04-02 13:28:57 #空气动力学,流体力学中的方程

阻力方程是流体力学中计算一物体在流体中运动,所受到阻力的方程式。

此方程式是由瑞利勋爵所提出,其方程式如下:

其中

参考面积A一般定义为物体在运动方向上的正交投影面积。对于形状简单,没有空洞的物体(例如球),参考面即为截面。若是其他物体(例如自行车骑士的身体),可能比任何一个截面都要大。翼形就用翼弦的平方为参考面积。由于翼弦长常定义为1,因此参考面积也是1。飞机的阻力常和其升力相比较,因此常用机翼面积(或转子叶片面积)作为其参考面。飞艇及旋转体使用体积阻力系数,其参考面积为其体积立方根的平方。有时一物体为了和其他物体比较阻力系数,会使用不同的参考面积,此时需特别标示所使用的参考面积。

对有尖角的物体,例如长方柱或是垂直流体方向的圆盘,在雷诺数大于1000时可以将阻力系数视为一定值。但若是圆滑的物体,例如圆柱,阻力系数会随着雷诺数有明显的变化,甚至到雷诺数到达107也是如此。

阻力方程是立基在一个假设的理想情形下:所有流体冲撞物体的参考面后停止,因此在整个参考面上产生滞止压强。实际的物体不可能完全符合此现象,而阻力系数就是真实物体所受阻力相对于理想情形阻力的比例。一般而言较粗糙。非流线性的物体其接近1。较平滑的物体数值较低。阻力方程提供了阻力系数的定义,此系数会随雷诺数而变化,实际的数值需要利用实验来求得。

若不考虑阻力系数的变化,阻力和流体速度的平方成正比,若速度变成原来的二倍,不但冲撞物体的流体速度加倍,单位时间内冲撞物体的流体质量也加倍,因此单位时间内的动量变化(及阻力)都变成原来的四倍。此现象和固体和固体之间的摩擦力不同,速度变化时,摩擦力不会有明显的改变。

阻力方程可以由量纲分析推导而得。假设一运动中的流体碰撞一物体,流体会对物体施力,根据一个复杂(且未完全了解)的定律,可以假设以下变数之间存在某种关系:

利用白金汉π定理,可以将上述的5个变数简化为以下的二个变数:

若考虑原来的5个变数,可以得到以下的式子

上式并未假设阻力和其他变数之间有一对一的函数对应关系。而上式中的是某个未知的,有五个变数的函数。由于方程式的右侧是0,和使用的单位系统无关,因此应该可以将用无量纲来表示。

将上述五个变数组合成无量纲的方式有许多种,不过根据白金汉π定理,最后会有二个无量纲。最合适的是雷诺数

及阻力系数

因此上述五个变数的函数可以用另一个只有二个变数的函数来表示:

其中为某个只有二个变数的函数。因此原始的方程式变成只有二个变数的方程式

由于其中唯一的未知数为阻力,其型式可能如下

因此阻力可表示成 ½ 乘以某个自变数为雷诺数e的未知函数,此型式较原来五个变数的函数要简单许多。

透过量纲分析将原本复杂的问题(要找出有五个变数的函数)变成一个较简单的问题:决定阻力和雷诺数之间的函数关系。

量纲分析也提供一些额外的资讯,例如在其他条件不变时,阻力和流体密度成正比,此资讯在进行研究的初期尤其宝贵。若要研究阻力和雷诺数之间的关系,可以不用用大型的物体在高速流体下进行实验(例如用真实尺寸的飞机进行风洞实验),只要用较小的物体,在黏滞度更大,速度更快的流体中进行实验即可,因为这二个系统为相似(英语:Similitude (model))的。

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