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小木虫论坛-学术科研互动平台 » 专业学科区 » 机械 » 流体机械 » 有关流体冲击力计算
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clw571

金虫 (小有名气)

[求助] 有关流体冲击力计算 已有3人参与

各位，小弟最近遇到一个问题，由于本身没学过流体力学，现想向大家请教一下：
简单来说，有一口1000m深的垂直井，我有一个直径10cm的空心圆柱体，长5m，其自重9kg（88.2N），浮力为10kg（98N），我采用开泵将这个物体冲到井底的方法，假设泵排量恒定，介质为清水。
现在我的问题是，需要多长时间这个物体才能到井底？
您不用费力帮我计算，只需告诉我有关公式（泵排量与到井底时间的关系），或麻烦您指点我一下应该去流体力学中的哪部分（例如沿程阻力？）查找相关资料就行。
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Thereisnofate,butwhatwemake
1楼 2014-06-18 11:51:44
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ctgu_zheng

专家顾问 (著名写手)

【答案】应助回帖

感谢参与，应助指数 +1
我理解没错的话 你这个问题不复杂

运用的公式就是F=ma ；难点就是确定各种力的大小；
浮力随着水的深度是不变的，
只要知道你的开泵能给物体提供多大的推力，或者加速度；
再考虑水的粘性阻力（相对于固体中的摩擦力），清水的话，粘性阻力应该也不大；这个力的计算可以参考 牛顿流体的粘性公式；这个力的估算会有一定的误差。

知道这些力后，求出物体运动的加速度，根据行程就可以确定时间了。高中的物理基本够用了。
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2楼2014-06-18 17:33:54
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clw571

金虫 (小有名气)
引用回帖:
2楼: Originally posted by ctgu_zheng at 2014-06-18 17:33:54
我理解没错的话 你这个问题不复杂

运用的公式就是F=ma ；难点就是确定各种力的大小；
浮力随着水的深度是不变的，
只要知道你的开泵能给物体提供多大的推力，或者加速度；
再考虑水的粘性阻力（相对于固体中的 ...

您的意思我明白，我也这样试过，但是有一个问题：
水的粘性阻尼是会随着物体速度增大而变化的，这就导致物体不是匀加速运动，我现在关键被卡就卡在我不知道水阻力大小与速度变化的计算公式..
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Thereisnofate,butwhatwemake
3楼2014-06-19 08:22:13
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arising2010

铜虫 (正式写手)

【答案】应助回帖

感谢参与，应助指数 +1
我不清楚的是怎么用泵把球冲到水底，就算水流再大，直接往水里喷，那也要不了多深就对球没什么作用力了

如果基本的物理过程都不大可能实现，那计算就没什么意义了

你担心的东西不是什么问题。
球体相对流体运动的阻力有经验公式，精度尚可
对球列一个牛顿第二定律的方程，就能得到其运动规律，并不难求解

不过解决的前提还是物理上要现实可行

[ 发自手机版 http://muchong.com/3g ]
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4楼2014-06-19 08:47:49
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ctgu_zheng

专家顾问 (著名写手)
引用回帖:
3楼: Originally posted by clw571 at 2014-06-19 08:22:13
您的意思我明白，我也这样试过，但是有一个问题：
水的粘性阻尼是会随着物体速度增大而变化的，这就导致物体不是匀加速运动，我现在关键被卡就卡在我不知道水阻力大小与速度变化的计算公式.....

可以做一定的简化。这个力如果相对浮力，推力等小很多的情况下，将速度简化为匀速计算阻力也可以的
阻力的计算公式已经说了 是牛顿流体粘度公式  
这个公式本身是微分方程形式的，一般可以简化，简化后，阻力：正比于速度和粘度， 物体表面积； 反比与物体与流体边界的距离。
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5楼2014-06-19 09:11:11
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clw571

金虫 (小有名气)
引用回帖:
4楼: Originally posted by arising2010 at 2014-06-19 08:47:49
我不清楚的是怎么用泵把球冲到水底，就算水流再大，直接往水里喷，那也要不了多深就对球没什么作用力了

如果基本的物理过程都不大可能实现，那计算就没什么意义了

你担心的东西不是什么问题。
球体相对流体运 ...

谢谢您的提醒..
简单来说，我的井里面有一个中空衬套，底部不密封。衬套内靠泵压把水流打下去，衬套外水自然循环上来。东西是圆柱体..
你提到的经验公式我会去找找相关资料，谢谢您的提示。
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Thereisnofate,butwhatwemake
6楼2014-06-19 09:16:28
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peterflyer

木虫之王 (文学泰斗)

peterflyer

【答案】应助回帖

感谢参与，应助指数 +1
引用回帖:
6楼: Originally posted by clw571 at 2014-06-19 09:16:28
谢谢您的提醒..
简单来说，我的井里面有一个中空衬套，底部不密封。衬套内靠泵压把水流打下去，衬套外水自然循环上来。东西是圆柱体..
你提到的经验公式我会去找找相关资料，谢谢您的提示。...

注意，此题中水对物体的作用力是向下运动的动力而不是阻力。如果衬套中的水流速度恒定，则可设水对物体的作用力与其与水的相对速度成正比，将此作用力力与阻力之和带入牛顿第二定律中求解一阶常系数常微分方程即可。
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7楼2014-06-19 12:10:47
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clw571

金虫 (小有名气)
引用回帖:
7楼: Originally posted by peterflyer at 2014-06-19 12:10:47
注意，此题中水对物体的作用力是向下运动的动力而不是阻力。如果衬套中的水流速度恒定，则可设水对物体的作用力与其与水的相对速度成正比，将此作用力力与阻力之和带入牛顿第二定律中求解一阶常系数常微分方程即可 ...

您的指点提醒了我，我发现我犯了错误：水的作用力在里面应该分成两部分，一部分是在顶部对物体向下的冲击，另一部分是在物体尾部和表面上对物向上的阻力。
随着物体的速度增大，水对物体的动力力在不断减小，阻力在不断增大。临界点应该是 水的动力+自身重力=物体浮力+水的阻力（我的物体浮力比重力大，所以必须用水冲下去），我的理解是物体最终速度应该是在这个临界速度上下小幅波动....
谢谢您的提醒，我先顺着您的提示查查资料，然后再想想。
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Thereisnofate,butwhatwemake
8楼2014-06-19 14:29:49
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