什麼是流動阻力

流動邊界的物體對流動流體的作用力。它與流體流動的方向相反，由動量傳遞而產生。流動阻力是粘性流體中動量傳遞研究的基本問題之一。流動阻力的反作用力，即流體對物體的作用力，稱爲曳力(drag)。對於管流，流動阻力通常用流體的壓力降表示，此壓力降造成的機械能（壓能）降低不能再恢復，亦即部分機械能遭受損失，通稱阻力損失。對於繞流，更多地注意曳力。只要來流即物體上游流體速度均勻，流體繞過靜止物體的流動，與物體在靜止流體中的運動是等同的。因此，工程上常在流動流體中置入靜止的模型，以模擬物體在靜止流體中的運動。

1506年，意大利科學家達·芬奇首先提出物體在流體中運動會受到阻力的觀點，此後I.牛頓等著名科學家都曾作有關研究，然而直到邊界層理論產生之後，才認識到流動阻力的實質。產生阻力的原因，早期只考慮物體前部的形狀，後來發現物體後部的形狀纔是量重要的。物體後部發生的邊界層分離，對流動阻力起決定性的影響。

種類

分爲摩擦阻力和壓差阻力。摩擦阻力是物體表面剪切力產生的流動阻力，其方向與流體運動方向相反。壓差阻力則是垂直於物體表面的壓力產生的對流體流動的阻力，其方向也與流體運動方向相反。兩種阻力常同時存在。以流體繞過某物體的流動爲例，兩種阻力的相對大小取決於下列三個因素：

（1）物體的形狀，如果物體是球那樣的鈍體，邊界層分離較早，壓差阻力是主要的。對於流線型物體，邊界層不分離或分離較遲，則壓差阻力較小，摩擦阻力是主要的。

（2）由物體特徵長度決定的雷諾數的大小，雷諾數決定邊界層中的流動狀態。湍流邊界層摩擦阻力較大，但因分離推遲，往往壓差阻力較小；層流則相反，摩擦阻力較小，而壓差阻力較大。

（3）物體表面的粗糙度，粗糙表面的摩擦阻力較大，但粗糙表面可促進邊界層湍化，使分離推遲，從而減小壓差阻力。

阻力計算

繞流時阻力F、的計算式爲：

式中C、d爲阻力系數;u、爲來流速度;A、爲物體在垂直於運動方向上的投影面積；ρ、爲流體密度。阻力系數 C、d的大小取決於物體形狀和雷諾數。如液體繞流圓球時的阻力系數C、d與Re、的關係曲線（見繞流）。

流體在管道中流動時，直管的阻力主要是摩擦阻力，又稱沿程阻力。摩擦阻力表示爲壁面上的剪切應力τ、w，其計算式爲：

式中f、稱爲範寧摩擦係數；u、爲流體平均速度。τ、w與管內壓力降 Δp、 成正比，所以管內摩擦阻力常以壓力降表示，計算式爲：

式中l、爲管長；d、爲管道直徑；λ、是摩擦係數(λ、=4f、），它是Re、 數和粗糙度ε、（管壁上突出物的平均高度）的函數，即：

λ、=φ、(Re、，ε、/d、)

上述函數關係可由實驗或理論計算得到（見管流）。管內流體流經各種局部障礙物（例如閥門和管內構件），或通道截面積突然擴大或縮小時所產生的阻力主要是壓差阻力，工程上稱爲局部阻力。這時雖然也有摩擦阻力存在，但一般很小，可以忽略。對於管流局部阻力的計算常用下式：

式中ξ、爲局部阻力系數，其值由實驗確定。

研究流動阻力的意義

在工程應用上，研究流動阻力的目的是：

（1）計算能量消耗，確定所需加入流動系統的外功，以便選擇流體輸送機械。

（2）尋求減小阻力的方法，以減少能耗。例如：爲降低彎曲通道中的阻力，可設置導流葉片；爲減小壓差阻力，可使物體具有圓頭尖尾的細長外形(流線型)；爲減小通道截面變化時的局部阻力，可採用截面逐漸變化的通道；爲降低減壓精餾塔的塔板壓力降，可採用漸縮通道小孔的文丘裏塔板。

（3）通過改變流動阻力進行流量的調節和分配或改善流動截面上的流速分佈，即流體均布。例如：在流化牀反應器中採用高壓力降分佈板，迫使流體沿流動截面均勻分佈，以消除因牀層波動而引起的流體分佈不均現象。