[科普中国]-粘压阻力

简介

当船舶或其模型在液体中运动时，粘性力的影响局限在流动的某一区域内，该区域位于紧贴物体表面之处，并称之为边界层。边界层的厚度与物体的长度比较是相当小的，而且由艏至艉逐渐增厚。物体的粘性阻力依其运动速度的变化特点，在很大的程度上取决于在边界层内所发生的现象。2

性质粘性阻力来自绕物体流动肘的粘性影响，它是摩擦阻力和形状阻力之和，并且对于不同形状的物体或船舶，它们之间的关系可在很大范围内变化。当船舶或其它物体沿液面运动时，其阻力是摩擦阻力与兴波阻力之和。

从绕流结构的特点和粘性阻力系数随物体的Re数的变化关系出发，可将物体分为流线型物体或非流线型物体。

对于流线型物体，边界层将平顺地自尾缘离去，并在物体后面形成一个具有连续分布的旋涡的、而通常是湍流流态的伴流区。这种物体的粘性阻力的70-100%是摩擦阻力。

对于非流线型物体，在绕它流动时边界层将发生离体，而流体动力尾迹在柱形物体的后面将由涡列组成，或在空间物体的后面将由更复杂的套圈式的旋涡组成。这些物体的粘性阻力基本上(有时是全部)由形状阻力组成。1

减小的措施物体的粘性阻力包括形状阻力及摩擦阻力两部分。物体的形状阻力，是粘性流体绕流时，在物体表面上所作用的压力的合力，在流动方向上的投影是压差阻力。形状阻力的大小与边界层的分离情况密切相关，不分离比分离阻力小，迟分离比早分离阻力也小。因此，为降低形状阻力，则应阻止或尽量推迟边界层的分离。物体的摩擦阻力，是粘性流体在物体表面上所作用的摩擦切应力的合力，在流动方向上的投影摩擦阻力的大小，与边界层及物体表面状况有关：边界层中层流比紊流阻力小，边界层厚的比薄的阻力小，物面光滑的比粗糙的阻力小，润湿面小的比大的阻力也小。因此，为降低摩擦阻力，则应维持边界层流动为层流并尽量减小润湿面及物面粗糙度。

减小形状阻力1、采用流线型外形

被绕流体如采用圆头、尖尾细长剖面形的流线型体，由于其上所形成的逆压梯度较和缓，流体质点能够克服逆压与粘性摩擦而流至尾部。这样，采用流线型体就能阻止或至少推迟边界层的分离，从而达到减小形状阻力的目的。诸如水泵、水轮机的叶片和机翼等采用流线型体，就是这个道理。3

2．边界层控制

对于一些剖面形状或尺寸有特定要求的物体，如其表面逆压梯度又很大时，为了避免边界层分离，必须采取边界层控制的办法：前缘缝翼是航空上采用的一种控制边界层的方法。

流体经它流向机翼的上表面时，流速加快，于是便增加了上表面边界层流体的动能。这样就可以使上表面边界层不致在翼前部发生分离。在壁面上开缝，把边界层内迟滞下来的流体吸走；流来新的，具有较大动能的流体，这样也能避免边界层的分离。这是控制边界层，避免分离的又一个办法。3

减小摩擦阻力采取上述措施后，避免或推迟了边界层的分离，从而形状阻力大为降低，这时，摩擦阻力便突出了起来。为了进一步减小粘性阻力，便需要降低摩擦阻力了。

由于层流边界层在物面上所产生的切应力要比紊流小的多，故为了减小摩擦阻力，应使物面上的层流边界层尽可能地长，也就是应使层流边界层转变为紊流边界层的转换点尽可能往后推移。由于加速流动比减速流动更容易使边界层保持层流，因此只要把绕流物体的最大速度点位置尽可能后移，也就是把绕流物体的最大厚度点位置尽可能向后移，就可以使边界层保持尽可能长的层流段，从而达到减小摩擦阻力的目的。3