绕流阻力(drag of round flow)包括形状阻力(form drag)和摩擦阻力(friction drag)两部分,物体所受到的阻力与边界层分离现象直接相关。

在绕流物体边界层分离点下游形成的旋涡区,通常称为尾流(wake flow)。由于尾流中旋涡消耗能量,使得尾流区物体表面的压强低于来流的压强,而物体迎流面的压强大于来流的压强,造成物体表面非对称压强分布,即物体前部是高压区,后部是低压区,这种由于前后部的压力差产生的阻力叫作形状阻力,也称为压差阻力。要减小形状阻力,一般应尽量避免或推迟边界层分离现象,以减小尾流的范围。工程中,经常将物体设计成流线形物体,它的形状相对于钝性物体如圆柱、圆球等可大大减缓边界层分离现象,所以在同样的迎流面积下,流线形物体的形状阻力要比钝性物体小得多。当有严重边界层分离时,此时的物体形状阻力计算比较困难,目前主要靠实验来决定。

绕流总阻力F D包括流体的摩擦阻力F f和压差阻力(形状阻力)F p两个部分,前者等于物体壁面切应力在来流方向的合力,后者等于物体壁面上压力在来流方向上的合力(例如,图6-2所示的流体垂直于平板的流动中,流体所受到的平板阻力就主要是压差阻力)。绕流总阻力F D与摩擦阻力F f和压差阻力(形状阻力)F p的关系为

F D=F f+F p

(61)

分别引入总阻力系数C D、摩擦阻力系数Cf和形状阻力系数C p,则绕流总阻力F D、摩擦阻力F f和压差阻力(形状阻力)F p可分别表示为

式中,A D为物体垂直于流动方向的投影面积;A f是物体的表面积。

通过理论或实验确定C D、Cp、Cf与Re的关系是绕流问题研究的主要目标之一。例如,通过在不同Re数下测定物体在流动方向受到的总力F D,然后用式(62)计算出C D,即可建立C D与Re之间的关系。显然,对于一般绕流问题,测试F D比分别测试F p和F f更容易。由于工程实际中通常更关心的是总阻力F D,且总阻力系数C D的测试相对容易,所以绕流问题中一般不是通过分别计算F p和F f来确定F D,而是直接采用总阻力系数C D的经验式或经验值计算流动阻力F D。

绕流阻力系数C D主要由以下因素决定:雷诺数、物体的形状、物体表面粗糙度等。一般情况下,C D很难由理论计算得出,多由实验确定。图6-3所示是圆球、圆盘及无限长圆柱的绕流阻力因数C D的实验曲线。为便于实际应用,附录Ⅹ给出了部分二维物体的阻力系数,附录Ⅺ给出了部分三维物体的阻力系数,更多的数据可在相关文献或手册中查阅到。