什么是阻力-空气阻力和流体阻力-定义

什么是阻力——空气阻力和流体阻力。在流体优德体育w88官网手机版力学和空气动力学中,阻力是作用于任何运动物体相对运动方向相反的力。优德app热能工程

什么是物理阻力-空气阻力和流体阻力

优德体育w88官网手机版,是与任何运动物体的相对运动相反的力。流动的流体在流动方向上对物体施加的力。不像其他阻力,比如干摩擦,它们几乎与速度无关,拖拽力取决于速度。拖曳力与层流的速度和紊流的平方速度成正比。一般由两种现象引起:

  • 阻力-皮肤摩擦和形成阻力
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    表面摩擦。一般来说,当流体流过静止的表面如平板、河床或管壁等,接触表面的流体被带出休息剪切应力去看墙。气流从壁面零速度调整到主流最大速度的区域称为边界层。因此,运动的流体在表面上产生切向的剪切力,因为无滑动条件由粘性效应引起的。这种类型的拖曳力,尤其取决于几何形状、固体表面的粗糙度和流体流动的类型。

  • 型阻型阻也被称为压差阻力因为物体的形状和大小而产生。这种类型的阻力是一个有趣的结果伯努利效应根据伯努利原理,运动越快的空气施加的压力越小。这就造成了物体表面之间的压力差。身体的一般大小和形状是最重要的因素型阻。一般来说,具有较大几何截面的物体比较薄的物体具有更高的阻力。

一般来说,这两种力在气流方向上都有分量,从而得到结果拖曳力是由于综合的影响压力表面摩擦流动方向上的力。

当有摩擦阻力系数和压力阻力系数时,将总阻力系数相加即可得到:

表面摩擦-形式阻力系数

雷诺兹数,大多数阻力是由于摩擦阻力。这是特别的情况下,高度流线型的身体,如机翼。另一方面,在高雷诺数,压降是显著的,这增加了形式阻力。

压力和表面摩擦力的分量正常的方向物体趋向于朝这个方向移动,它们的和被称为电梯

在航空,电梯飞机机翼上是否有向上的作用力机翼。伯努利定律要求翼型是一个不对称的形状

伯努利原理-升力
参见:伯努利原理-升力

升力-伯努利原理在航空,电梯飞机机翼上是否有向上的作用力机翼。88top优德官网中文版 要求翼型是一个不对称的形状。它的表面积一定是顶部更大而不是底部。当空气流过机翼,它是被取代更多的顶部表面比底部。根据连续性原则,这种位移必然导致流速增加导致…的减少压力)。流速增加一些由底部翼型表面,但相当少的流动在顶部表面。升力机翼的升力,特征是升力系数,可以在飞行中改变形状的机翼。因此,利用相对简单的装置,升力系数甚至可以增加一倍(襟翼和缝翼),如果用于全翼展。

的使用伯努利定律可能不对。伯努利原理假设不可压缩性但实际上空气是很容易被压缩的。但是基于伯努利原理的解释有更多的局限性。关于电梯有两种流行的解释:

  • 基于水流向下偏转的解释-牛顿第三定律
  • 基于流速和压力变化的解释-连续性原理和伯努利原理

这两种解释都正确地指出了升力的某些方面,但没有解释现象的其他重要方面。更全面的解释包括流速和向下偏转的变化,需要更详细地观察气流。

了解更多:Doug McLean,理解空气动力学:从真实的物理论辩。John Wiley & Sons Ltd. 2013。ISBN: 978 - 1119967514

什么是寄生阻力
“寄生阻力”这一术语主要用于空气动力学,因为对于升力机翼来说,它通常比升力小。寄生阻力是形式阻力、表面摩擦阻力和干扰阻力的组合。

表面摩擦-摩擦阻力

如前所述,当流体流过静止的表面如平板、河床或管壁等,接触表面的流体被带出休息剪切应力去看墙。气流从壁面零速度调整到主流最大速度的区域称为边界层。因此,运动的流体在表面上产生切向的剪切力,因为无滑动条件由粘性效应引起的。这种类型的拖曳力,尤其取决于几何形状,固体表面的粗糙度(仅在湍流)和在流体流动类型。的摩擦阻力正比于表面积。因此,表面积越大的物体摩擦阻力越大。这就是为什么商用飞机为了节省燃料而减少总面积的原因。摩擦阻力是粘度的强函数,零粘度的“理想”流体将产生零摩擦阻力,因为壁面剪应力将为零。

表面摩擦是由物体周围边界层中的粘性阻力引起的。所有的基本特性层流和湍流边界层所示为平板上的展开流。边界层形成阶段如下图所示:

平板上的边界层

边界层可以是层流,或动荡不安的取决于的值雷诺数

低雷诺数,边界层是层流的,当离开壁面时,流向速度均匀变化,如图左侧所示。随着雷诺数的增加(x)流动变得不稳定最后,当雷诺数较高时,边界层为紊流,沿流速度在边界层内部为非定常(随时间变化)的旋流。

从层流到紊流的转变当x处雷诺数超过时,出现边界层再保险x~ 500000。转换可能发生得更早,但它尤其依赖于表面粗糙度。由于机体表面的剪应力增加,湍流边界层比层流边界层增厚得更快。

有两种方法减少摩擦阻力:

  • 第一个是塑造运动体,使层流成为可能
  • 第二种方法是尽可能地增加运动物体的长度,减少运动物体的横截面。

表面摩擦系数,CD、摩擦,定义为

表面摩擦-方程-阻力系数

必须指出的是表面摩擦系数等于范宁摩擦系数。范宁摩擦系数,以约翰·托马斯·范宁的名字命名,是一个无量纲的数字,是达西摩擦系数。可以看出,两者之间是有联系的表面摩擦力量摩擦水头损失

参见:达西摩擦系数

层流在管子里范宁摩擦系数(表面摩擦系数)是的结果泊肃叶定律它由以下方程给出:

阻力系数-层流

湍流流动,然而,事情是比较困难的,因为摩擦因素强烈地依赖于管道粗糙度。的摩擦系数对于流体流量可以使用喜怒无常的图表。例如:

阻力系数-紊流

摩擦力的分量拖曳力是由:

阻力-表面摩擦

形式阻力-压力阻力

形成阻力-压力阻力型阻也被称为压差阻力出现的原因形状大小的对象。的压差阻力与作用于浸没的身体前后的压力和额部的压力之差成正比。这种类型的阻力也是一个有趣的结果88top优德官网中文版 根据伯努利原理,运动越快的空气施加的力越小压力。这就导致,可能会有压差物体表面之间。身体的一般大小和形状是最重要的因素型阻。一般来说,具有较大几何截面的物体比较薄的物体具有更高的阻力。

从图中可以看出,拖曳力是由作用在浸入体前后的压力差引起的。对于这种情况,只需用压力的定义就可以计算出这个力:

形成拖拽力

压头损失大概与流量的平方成正比在大多数工程流程中总阻力系数可以通过简单地增加摩擦系数和压力阻力系数来确定:

表面摩擦-形式阻力系数

阻力-阻力方程

拖曳力FD,取决于密度流体的上游速度、流体体的大小、形状和方向等。表达这一点的一种方式是通过阻力方程。的阻力方程是用公式计算的吗拖曳力由于在流体中运动而被物体所经历的。

阻力-阻力方程-公式

参考面积A定义为物体在垂直于运动方向的平面上的正射影面积。对于空心物体,参考面积可能显著大于横截面积,但对于非空心物体,参考面积与横截面积完全相同。

阻力系数-阻力特性

正如所写的那样阻力特性用无量纲表示物体阻力系数CD,定义为:

阻力系数-特性

参考面积A定义为物体在垂直于运动方向的平面上的正射影面积。对于空心物体,参考面积可能显著大于横截面积,但对于非空心物体,参考面积与横截面积完全相同。可以看出,阻力系数主要是身体形状的函数,同时考虑了表面摩擦和形式阻力。这也可能取决于雷诺数还有表面粗糙度。

摩擦压差阻力系数是可用的,总阻力系数通过简单地添加它们来决定:

表面摩擦-形式阻力系数

在低雷诺数下,阻力主要是由摩擦阻力。这是特别的情况下,高度流线型的身体,如机翼。高雷诺数时,压降显著增加型阻

阻力系数-汽车
阻力系数常用的测量方法在吗汽车设计。阻力系数,CD,是普遍公布的a级汽车的空气动力阻力,与汽车的形状有关。乘以CD通过汽车的正面面积给出了总阻力的指数。结果被称为阻力区域。

由于空气动力阻力和阻力随速度的平方而增加,这种特性在更高的速度下变得至关重要。降低汽车的阻力系数可以改善车辆的性能,因为它与速度和燃料效率有关。现代汽车的平均阻力系数在C之间D= 0.30和0.35。

核工程中的阻力

的分析液压升降机的力量是燃料组件设计和混合堆芯液压相容性分析中最重要的分析之一。垂直力是由向上的高速气流通过反应堆堆芯。反应堆冷却剂的流动路径反应堆容器是:

  • 连续方程-通过反应器的流量
    反应器中流速的例子。这是一个说明性的例子,数据并不代表任何反应堆设计。

    冷却剂进入反应堆容器在进口喷口和撞击核心筒

  • 堆芯筒迫使水在反应堆容器壁和核心筒,这个空间通常被称为下水管
  • 从压力容器的底部,流体反向向上通过核心,以通过燃料组件冷却剂通过燃料棒时,温度会上升。
  • 最后,较热的反应堆冷却剂进入上部内部区域,在那里,它从出口喷嘴进入初级电路的热腿,然后进入蒸汽发生器

燃料组件由上导向结构总成,它定义了核心的顶部。该组件由不锈钢制成,有多种用途。上导向结构总成施加推力轴向力在燃料组件上(通过顶部喷嘴中的弹簧),从而确定燃料组件在核心中的确切位置。的上导向结构总成凸缘由RPV封头凸缘固定并预加载。上导向结构总成也起到导向和保护作用控制杆程序集和核心内仪表。

所需的下压力上导向结构总成对燃料组件必须非常仔细地计算。下压力不足会导致燃料组件的提升另一方面,过大的下压力会导致燃料组件弯曲,这也是不可接受的。

示例:阻力-阻力系数-燃料束

液压直径-燃料通道计算摩擦阻力单一燃料棒反应堆芯内正常运行(设计流速)。假设该燃料棒是与矩形燃料网格的燃料束的一部分,且该燃料束不包含间隔网格。它的高度是h = 4米核心的流速是恒定的,等于V核心= 5 m / s。

假设:

  • 包层外径为:D = 2 x r锆、1= 9, 3毫米
  • 燃料针节距为:P = 13毫米
  • 相对粗糙度ε/ D = 5×104
  • 液体密度是:ρ = 714公斤/米3.
  • 核心的流速是恒定的,等于V核心= 5 m / s
  • 平均温度反应堆冷却剂为:T散装= 296°C

雷诺数的计算

计算雷诺数,我们必须知道:

  • 包层外径为:D = 2 x r锆、1= 9, 3毫米(计算水力直径)
  • 燃料针节距为:P = 13毫米(计算水力直径)
  • 饱和水在300℃时的动态粘度为:μ = 0.0000859 N.s/m2
  • 流体密度为:ρ = 714公斤/米3.

液压直径,Dh,是处理流入时常用的术语非圆形管和渠道。的燃料通道的液压直径,Dh,等于13日,85毫米

参见:水力直径

雷诺数在燃料通道内等于:

雷诺数-例子

这完全满足动荡的条件

表面摩擦系数的计算

的摩擦系数因为紊流很大程度上依赖于相对粗糙度。它可以由Colebrook方程确定,也可以用喜怒无常的图表。的喜怒无常的图表Re = 575 600ε/D = 5 × 104返回以下值:

因此,表面摩擦系数为:

表面摩擦系数-例子

阻力的计算

计算拖曳力,我们必须知道:

  • 表面摩擦系数为:CD、摩擦= 0.00425
  • 销面面积,即:A = π.d.h = 0.1169 m2
  • 液体密度,这是:ρ = 714公斤/米3.
  • 核心的流速,是恒定的,等于V核心= 5 m / s

表面摩擦系数,等于范宁摩擦系数我们可以计算摩擦分量拖曳力拖曳力为:

阻力-例子

假设一个燃料组件可以有,例如,289燃料针(17×17燃料组件),该摩擦组件拖曳力那是什么意思呢牛顿。此外,这种阻力纯粹来源于燃料束表面摩擦。但是,典型的压水堆燃料组件包含另一个组件,它影响燃料组件的液压:

  • 燃料棒。燃料棒含有燃料和可燃毒物。
  • 顶级喷嘴。为燃料组件结构提供机械支持。
  • 底部的喷嘴。为燃料组件结构提供机械支持。
  • 网格间距。确保燃料棒的精确导向。
  • 指导顶针管。控制棒或芯内仪器用的空管。

如前所述,阻力的第二个分量是形式阻力。型阻也被称为压差阻力出现的原因形状大小的对象。的压差阻力与作用于浸没的身体前后的压力和额部的压力之差成正比。

压力降-燃料组件

一般来说,总燃料组件压降由燃料束摩擦降形成(取决于相对粗糙度燃料棒,雷诺数,水力直径等)和其他结构部件(顶部和底部喷嘴,间距网格或混合网格)的压降。

一般来说,计算燃料组件(尤其是间距网格)的压降并不简单,属于关键问题技术某些燃料制造商。通常,压降是用实验液压回路,而不是经过计算的。

工程师使用压力损失系数,PLC)。标注为K或ξ“兮”(发音)。这个系数特征压力损失一种液压系统或液压系统的一部分。它可以很容易地在液压回路中测量。压力损失系数可以定义或测量直管,特别是直管本地(小)的损失

PLC -压力损失系数-方程式

使用来自上述例子的数据压力损失系数(仅从直管摩擦)等于ξ= fDL / DH= 4.9。但总体压力损失系数(包括格栅间距、顶部和底部喷嘴等)通常要高3倍左右。这个公司(ξ= 4.9)导致压降的顺序为(使用前面的输入)Δp摩擦= 4.9 x 714 x 52/ 2 =43.7 kPa(没有间距网格,顶部和底部喷嘴)。实际PLC价格上涨约三倍,意味着价格上涨约三倍Δp燃料将。

总的反应堆压力损失,Δp反应堆必须包括:

  • 降水管和反应堆底部
  • 较低的支撑板
  • 燃料组件,包括间距栅格,顶部和底部喷嘴和其他结构部件Δp燃料
  • 上导向结构总成

因此,整个反应堆的压力损失Δp反应堆设计参数通常为数百kPa(假设300 - 400 kPa)量级。

引用:
反应堆物理与热水力学:
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  2. J. R. Lamarsh, A. J. Baratta,核工程导论,3d版,prentices - hall, 2001, ISBN: 0-201-82498-1。
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  8. 现代流体力学。优德体育w88官网手机版施普林格,2010,ISBN 978-1-4020-8670-0。
  9. 美国能源、热力学、传热和流体流动部。w88优德appw88优德备用网址 微博美国能源部基础手册,卷1,2和3。1992年6月。
  10. 《流体力学》,第7版,2010年2月,ISBN: 978-0077422417

参见:

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