
【化】 turbulent resistance
rapid; rushing water
【化】 flow resistance
all one's best; force; power; puissance; strength
【化】 force
【醫】 dynamo-; ergo-; force; potency; potentia; Power; stheno-; strength; vis
湍流阻力(turbulent drag)是流體力學中的重要概念,指物體在湍流狀态下運動時,因流體内部不規則渦旋運動而産生的阻礙力。其核心特征包含以下三方面:
力學機制
湍流阻力由流體動能耗散和動量交換共同作用形成。當雷諾數超過臨界值時,流體從層流轉變為湍流,此時流線分裂成隨機渦旋結構,導緻物體表面剪切應力顯著增加。美國物理學會期刊《Physical Review Fluids》指出,這種阻力增量可達層流狀态的3-8倍(DOI:10.1103/PhysRevFluids.6.074601)。
數學表征
湍流阻力系數$C_d$通過無量綱公式計算:
$$ C_d = frac{2F_d}{rho v A} $$
其中$F_d$為阻力值,$rho$為流體密度,$v$為流速,$A$為物體特征面積。中國《工程力學手冊》強調該公式在亞音速範圍内的普適性。
工程影響
航空航天領域需特别控制湍流阻力,波音787客機通過表面微溝槽設計成功降低10%的湍流摩擦阻力(NASA技術報告CR-2019-220298)。船舶工程中,國際船級社協會(IACS)規定湍流阻力需占總體阻力的25%-40%評估标準。
參考資料:美國物理學會《Physical Review Fluids》、中國力學學會《工程力學手冊》、NASA空氣動力學研究報告。
湍流阻力是指流體在湍流狀态下,物體運動時因流體不規則流動和能量耗散增加而産生的阻力。以下是詳細解釋:
湍流
湍流是流體的一種複雜流動狀态,表現為流速和壓力的不規則變化,流線混亂并伴隨小漩渦。與層流(平穩的分層流動)不同,湍流中相鄰流層會混合,能量耗散更高(、3、6)。
阻力
阻力是物體在流體中運動時受到的與運動方向相反的力,包括摩擦阻力和壓差阻力等(、7、9)。
能量耗散增加
湍流中流體因渦旋和混合産生更多摩擦,能量以熱能形式耗散,導緻阻力顯著高于層流(、3)。
流動狀态的複雜性
湍流的非線性特征使流體各層間相互作用增強,加劇了局部壓力變化和流動分離,進一步增大阻力(、8)。
層流阻力(如哈根-泊肅葉公式): $$ Delta P = frac{8 mu L Q}{pi r} $$ 湍流阻力通常更複雜,常用經驗公式(如達西-魏斯巴赫公式): $$ Delta P = f cdot frac{L}{D} cdot frac{rho v}{2} $$ 其中,摩擦系數 ( f ) 隨雷諾數變化,湍流時 ( f ) 顯著增大。
湍流阻力是流體力學中的重要現象,其本質是湍流狀态下能量耗散和流動複雜性的綜合結果。如需更完整公式推導或案例,可參考流體力學教材或專業文獻。
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