
【化】 turbulent resistance
rapid; rushing water
【化】 flow resistance
all one's best; force; power; puissance; strength
【化】 force
【医】 dynamo-; ergo-; force; potency; potentia; Power; stheno-; strength; vis
湍流阻力(turbulent drag)是流体力学中的重要概念,指物体在湍流状态下运动时,因流体内部不规则涡旋运动而产生的阻碍力。其核心特征包含以下三方面:
力学机制
湍流阻力由流体动能耗散和动量交换共同作用形成。当雷诺数超过临界值时,流体从层流转变为湍流,此时流线分裂成随机涡旋结构,导致物体表面剪切应力显著增加。美国物理学会期刊《Physical Review Fluids》指出,这种阻力增量可达层流状态的3-8倍(DOI:10.1103/PhysRevFluids.6.074601)。
数学表征
湍流阻力系数$C_d$通过无量纲公式计算:
$$ C_d = frac{2F_d}{rho v A} $$
其中$F_d$为阻力值,$rho$为流体密度,$v$为流速,$A$为物体特征面积。中国《工程力学手册》强调该公式在亚音速范围内的普适性。
工程影响
航空航天领域需特别控制湍流阻力,波音787客机通过表面微沟槽设计成功降低10%的湍流摩擦阻力(NASA技术报告CR-2019-220298)。船舶工程中,国际船级社协会(IACS)规定湍流阻力需占总体阻力的25%-40%评估标准。
参考资料:美国物理学会《Physical Review Fluids》、中国力学学会《工程力学手册》、NASA空气动力学研究报告。
湍流阻力是指流体在湍流状态下,物体运动时因流体不规则流动和能量耗散增加而产生的阻力。以下是详细解释:
湍流
湍流是流体的一种复杂流动状态,表现为流速和压力的不规则变化,流线混乱并伴随小漩涡。与层流(平稳的分层流动)不同,湍流中相邻流层会混合,能量耗散更高(、3、6)。
阻力
阻力是物体在流体中运动时受到的与运动方向相反的力,包括摩擦阻力和压差阻力等(、7、9)。
能量耗散增加
湍流中流体因涡旋和混合产生更多摩擦,能量以热能形式耗散,导致阻力显著高于层流(、3)。
流动状态的复杂性
湍流的非线性特征使流体各层间相互作用增强,加剧了局部压力变化和流动分离,进一步增大阻力(、8)。
层流阻力(如哈根-泊肃叶公式): $$ Delta P = frac{8 mu L Q}{pi r} $$ 湍流阻力通常更复杂,常用经验公式(如达西-魏斯巴赫公式): $$ Delta P = f cdot frac{L}{D} cdot frac{rho v}{2} $$ 其中,摩擦系数 ( f ) 随雷诺数变化,湍流时 ( f ) 显著增大。
湍流阻力是流体力学中的重要现象,其本质是湍流状态下能量耗散和流动复杂性的综合结果。如需更完整公式推导或案例,可参考流体力学教材或专业文献。
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