109 年 國立臺灣大學機械系碩士班流力組《流體力學(D)》
第 1 題
- (5% for each question, total 50%) Answer the following questions. (Derivations are not required)
(a) The following table lists the measurements of the deformation angle of a fluid element with time under the action of a constant shearing stress. Is the fluid Newtonian or non-Newtonian?
| (°) | 1.2 | 4.8 | 10.8 | 19.2 |
|---|---|---|---|---|
| (sec) | 1 | 2 | 3 | 4 |
(b) A 2-D incompressible flow has velocity components in polar coordinates (, ): , where is a constant. Find the net volume flow rate across the rectangular boundary as shown below. (Assume unit width into the paper)
🖼️【此處有附圖,請對照原卷】
The image shows a rectangular boundary with width 8.
(c) If the velocity of an incompressible flow field is found to be proportional to the pressure gradient of the flow: where is a constant, then what is the value of ?
(d) Following the above problem, is the flow rotational or irrotational?
(e) Let denote the velocity field of a flow and the density of the fluid. Which of the followings is the correct expression for the momentum flux across an elemental area (with unit normal vector ) in the flow field?
(A)
(B)
(C)
(D)
(E)
(f) The inviscid flow distribution at the outer edge of a 2-D incompressible boundary layer has the form . Find the value of under which the pressure gradient inside the boundary-layer is a constant.
(g) The drag force experienced by a cylinder of diameter in a uniform stream of flow speed and density is given by:
where is the Reynolds number. If it is observed from experiments that the drag force is linearly proportional to the free stream speed , then what is the general expression for the function ?
(h) How does fluid turbulence generally affect (increase or reduce) the friction drag on a solid body?
(i) A fluid of density and viscosity flows through a pipe of diameter and length with an averaged flow speed . If the pressure drop between the inlet and outlet of the pipe is found to be where is a dimensionless constant, then what is the value of ?
(j) A branching circular pipe system is shown as below. Assume Poiseuille solution for the circular pipe flow applies to each segment of the system, what is the expression for the total friction head loss of this pipe flow (in terms of the relevant parameters specified in the figure below)? Neglect all minor losses.
🖼️【此處有附圖,請對照原卷】
The image shows a branching pipe system with an inlet pipe of length and radius , and two outlet pipes of lengths and and radii and respectively. The total flow rate enters from the left and splits into and in the two outlet pipes. The fluid has density and viscosity .
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第 1 題
(a) 牛頓流體判定
核心觀念
在固定剪應力 下:
- 牛頓流體:剪切應變率 為常數,因此 與 成正比。
- 非牛頓流體: 與 不呈線性關係。
解題方法
由表中資料計算平均變形角速度:
因此 與 成正比,剪切應變率為定值。
解題技巧
固定剪應力下,只要檢查 是否為常數即可快速判斷。
【答案】牛頓流體。
(b) 矩形邊界的淨體積流率
核心觀念
二維極座標下,速度為
其徑向體積流率為
題圖中的矩形包住原點 ,且假設紙面內寬度為 。
解題方法
對任意包住原點的封閉曲線,取一個以原點為中心、半徑 的圓,其單位寬度上的流率為
代入 :
由於流場在原點具有點源奇異性,任何包住原點的封閉邊界,其淨流率皆相同。因此矩形邊界的淨流率為
若 ,代表向外流出;若 ,代表向內流入。
解題技巧
不能只套用「不可壓縮流的封閉曲面淨流率為零」。本流場雖在 處散度為零,但原點是點源,矩形包含原點,所以仍有非零淨流率。
【答案】
(c) 壓力的拉普拉斯值
核心觀念
不可壓縮流滿足連續方程:
已知
其中 為常數。
解題方法
對速度取散度:
由不可壓縮條件:
因此
解題技巧
看到「速度與壓力梯度成正比」且流體不可壓縮,直接對關係式取散度即可。
【答案】
(d) 流場的旋轉性
核心觀念
流場的旋度為
若旋度為零,則為無旋流。
解題方法
由
可得
梯度場的旋度恆為零,因此
**答案】無旋流(irrotational flow)。
解題技巧
任何速度場若可表示成某個純量函數的梯度,即為保守場,其旋度必為零。
(e) 動量通量
核心觀念
單位時間穿過面積 的質量流率為
每單位質量攜帶的動量為 ,因此動量通量向量為
選項分析
- (A) :只有純量,缺少動量方向 ,錯誤。
- (B) :這是質量流率,不是動量通量,錯誤。
- (C) :使用速度大小取代動量向量,缺少方向,錯誤。
- (D) :符合「速度向量乘以質量流率」,正確。
- (E) :方向沿面法線 ,但動量方向應由 決定,錯誤。
【答案】
解題技巧
先求質量流率,再乘上單位質量動量 ,即可避免把質量通量與動量通量混淆。
(f) 邊界層外緣速度分布
核心觀念
二維不可壓縮邊界層內,壓力梯度由外部無黏流決定:
已知
解題方法
先微分:
第 2 題15 分
- (15%) Consider a general control volume in fluids. The fluid has a density and a velocity field . The control volume and the corresponding control surface are time-varying quantities. The velocity of the control surface is and the unit normal vector of the control surface is . Derive the control volume form of the mass conservation from the continuity equation:
from the continuity equation:
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核心觀念
本題考查由微分形式的連續方程,推導適用於「控制體積與控制面隨時間變動」的積分形式質量守恆。
已知連續方程為
其中:
- :流體密度
- :流體速度
- :控制面的局部速度
- :控制面的外法向單位向量
- :隨時間變化的控制體積
- :其邊界控制面
控制體積內的總質量為
因此,質量守恆的物理意義是:
解題方法:對移動控制體積積分
將連續方程對瞬時控制體積 積分:
拆成兩項:
第二項利用散度定理轉換成控制面積分:
所以
移動控制體積的積分微分關係
由於控制體積本身隨時間移動或變形,不能直接將
寫成
必須使用移動控制體積的 Leibniz 積分法則,也就是 Reynolds transport theorem 的幾何形式:
整理得
此式的第二項代表:控制面移動所造成的質量積分變化。
代回連續方程的積分式
將式 代入式 :
第 3 題20 分
- (20%) As shown in the following figure, a thin cylinder bar with a density is hanged with a string at the end O and partially submerged in a liquid fluid with a density . The length of the bar is and the length of the bar submerged in the fluid is . Let so that the bar is floating on the liquid. The magnitude of the gravitational acceleration is .
(a) (5%) Determine the ratio in terms of the density ratio .
(b) (15%) If the bar is perturbed and oscillates about O with a frequency , perform a dimensional analysis (8%) to determine how will the frequency behave with respect to the bar length at a fixed density ratio (7%).
🖼️【此處有附圖,請對照原卷】
The image shows a thin bar of length floating vertically in a liquid. The submerged length is . The bar is attached to a string at point O. Gravity acts downwards. The densities of the bar and fluid are and respectively.
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核心觀念
本題考查:
- 浮力平衡:阿基米德原理
- 靜力平衡的力矩方程
- 無因次分析與重力振動的尺度關係。
設圓柱棒截面積為 ,棒由 起沿棒身量測距離 ,其中浸入液體的部分長度為 ,因此浸沒段範圍為 。
解題方法
棒受到三個主要作用:
-
棒自身重量
作用位置在棒的中點,距離 為 。
-
液體浮力
浸沒部分的形心位於浸沒段中點,因此距離 為
-
繩子的張力作用於 ,故對 的力矩為零。
由 點取力矩,重量與浮力的力臂都包含相同的幾何因子,整理後得
代入重量與浮力:
約去 ,得
令
則
整理為
所以
因為浸沒長度必須滿足 ,故取物理解:
(b) 頻率與棒長的關係
在固定密度比 下,由 (a) 可知 也是固定的,因此系統的幾何比例不會隨 改變。
第 4 題15 分
- (15%) An inventor proposes to propel a small, low-speed underwater vehicle with a device that successively closes and opens two rigid flaps as shown above. The sketch shows a scale model being tested in a large, deep pool containing stationary water (density ). In one cycle, the system starts at its maximum open angle , closes at a uniform angular speed until it reaches a smaller angle , and then opens at the same angular speed until it returns to its original angle .
Note that, unlike the depiction in the sketch, and .
(a) (5%) Which direction will the vehicle move (+x or -x or not moving at all)?
(b) (5%) Make an argument of your answer in part (a).
(c) (5%) Using the dimensional and scale analyses, estimate the scale of the thrust that the vehicle generates.
🖼️【此處有附圖,請對照原卷】
The image shows a schematic of an underwater vehicle with two flaps. The vehicle is propelled by the motion of these flaps. The flaps are shown at an open angle, and the text indicates they close and open. The direction of motion is along the x-axis.
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核心觀念
本題考查:
- 剛性翼板旋轉時的流體阻力。
- 流體慣性力的尺度分析。
- 完全往復、時間對稱運動是否能產生週期平均推力。
在低速但以流體慣性阻力估算時,阻力尺度為
其中 為翼板特徵速度, 為翼板浸水面積。
解題方法
設每片 flap 的長度尺度為 、寬度為 ,其浸水面積尺度為
距離轉軸約為 的位置,其旋轉速度尺度為
因此,翼板所受流體作用力的尺度為
由於題目給定 ,流體力在 方向的分量還要乘上小角度投影因子 ,故瞬時軸向推力尺度為
兩片 flap 只會使係數增加一個數量級為 的因子,不影響尺度結果。
(a) 運動方向
因此在題目所給的理想對稱條件下,車輛不會持續前進。
(b) 判斷理由
關鍵在於關閉與開啟是完全互逆的運動:
-
關閉階段:
-
開啟階段:
在同一個 flap 角度 下,開啟與關閉時的角速度大小相同、方向相反。因此翼板對流體的作用力方向相反,而其大小尺度相同:
關閉階段的推力衝量為
第 1.(a) 題5 分
- (5% for each question, total 50%) Answer the following questions. (Derivations are not required)
(a) The following table lists the measurements of the deformation angle of a fluid element with time under the action of a constant shearing stress. Is the fluid Newtonian or non-Newtonian?
| (°) | 1.2 | 4.8 | 10.8 | 19.2 |
|---|---|---|---|---|
| (sec) | 1 | 2 | 3 | 4 |
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核心觀念:牛頓流體與非牛頓流體的定義,即剪應力與應變率的關係。牛頓流體中,兩者呈線性關係;非牛頓流體則不然。
解題:
題目給定一組數據,顯示在施加「常數剪應力」的情況下,流體元素的變形角度 隨時間 的變化。
我們需要判斷此流體是牛頓流體還是非牛頓流體。
在牛頓流體中,剪應力 與應變率 之間存在線性關係:。
應變率 通常定義為速度梯度,而在這個情況下,變形角度 的變化率代表了應變率。
(將角度從度轉換為弧度,但我們這裡只需要觀察變化趨勢)。
由於施加的剪應力是「常數」,如果流體是牛頓流體,那麼應變率 也應該是常數。
這意味著,變形角度 隨時間的變化率應該是常數。
也就是說, 與 應該呈現線性關係。
第 1.(b) 題5 分
- (5% for each question, total 50%) Answer the following questions. (Derivations are not required)
(b) A 2-D incompressible flow has velocity components in polar coordinates (, ): , where is a constant. Find the net volume flow rate across the rectangular boundary as shown below. (Assume unit width into the paper)
🖼️【此處有附圖,請對照原卷】
The image shows a rectangular boundary with width 8.
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核心觀念:不可壓縮流體的體積流量計算,特別是在極座標系下,以及通過一個閉合邊界的流量積分。
解題:
給定的流場為二維不可壓縮流,速度分量在極座標系下為 且 。
我們需要計算通過圖中所示的「矩形邊界」的淨體積流量 。
從圖示和題目敘述,這個「矩形邊界」實際上構成了一個扇環區域的邊界。
該邊界的尺寸由圖示給出:
內側半徑 。
外側半徑 。
角度範圍為 到 。
體積流量 可以通過對邊界進行流量積分計算。對於一個閉合邊界,淨體積流量應為零,因為流體是不可壓縮的且沒有源或匯(由速度場的散度為零驗證)。
連續性方程在極座標下為 。
代入 和 ,我們得到 。
這表明流場滿足連續性方程,是一個無源無匯的流場。
然而,題目問的是「淨體積流量 穿過矩形邊界」。
如果我們計算通過這個閉合邊界的淨流出量,應該為零。
但通常在這種問題中,如果給定了速度場和邊界,是要求計算通過該邊界的「總」流量。
由於 且 ,流體沿徑向向外輻射(如果 )。
我們需要計算通過邊界四個部分的流量。
- 內圓弧邊界 (, ):
流體是向外輻射的,而邊界的法向量指向內。因此,流體從這個邊界「流出」。
流量 。 - 外圓弧邊界 (, ):
第 1.(c) 題5 分
- (5% for each question, total 50%) Answer the following questions. (Derivations are not required)
(c) If the velocity of an incompressible flow field is found to be proportional to the pressure gradient of the flow: where is a constant, then what is the value of ?
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核心觀念:不可壓縮流體的連續性方程,以及梯度和拉普拉斯算子的定義。
解題:
給定的流體速度場為 ,其中 是常數, 是壓力梯度。
流體是不可壓縮的,這意味著速度場 必須滿足連續性方程:
將給定的速度場代入連續性方程:
由於 是常數,可以從散度運算符中提出:
第 1.(d) 題5 分
- (5% for each question, total 50%) Answer the following questions. (Derivations are not required)
(d) Following the above problem, is the flow rotational or irrotational?
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核心觀念:流體的旋轉性由渦度向量 來判斷。如果渦度為零,則流動是無旋的(irrotational);否則,流動是有旋的(rotational)。
解題:
從小題 (c) 中,我們知道速度場為 。
我們需要計算渦度 :
將速度場代入:
由於 是常數,可以從向量叉乘運算符中提出:
第 1.(e) 題5 分
- (5% for each question, total 50%) Answer the following questions. (Derivations are not required)
(e) Let denote the velocity field of a flow and the density of the fluid. Which of the following is the correct expression for the momentum flux across an elemental area (with unit normal vector ) in the flow field?
(A)
(B)
(C)
(D)
(E)
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核心觀念
動量通量是「單位時間穿過面積的質量」乘上「每單位質量所帶的動量」。流體速度為 、密度為 ,面積元素的外法向量為 ,則穿過面積的質量流率為
每單位質量的動量為 ,因此動量通量為
解題方法
先用速度在法向量上的分量 求穿越面積的流量,再乘上流體攜帶的動量向量 。結果必須是向量,方向由 決定,並且只有速度的法向分量會造成流體穿越此面。
因此正確式子是選項 (D)。
選項分析
- (A) :錯。 這是純量,沒有表達動量通量的方向,也沒有依據速度的法向分量計算穿越面積的流量。
- **(B) :錯。
第 1.(f) 題5 分
- (5% for each question, total 50%) Answer the following questions. (Derivations are not required)
(f) The inviscid flow distribution at the outer edge of a 2-D incompressible boundary layer has the form . Find the value of under which the pressure gradient inside the boundary-layer is a constant.
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核心觀念
薄邊界層內,法向壓力變化可忽略,因此邊界層內的壓力 近似等於外緣壓力 。外緣為無黏、定常流動,沿流向可用伯努力方程表示:
因此外緣壓力梯度為
解題方法
題目給定外緣速度分布 。代入壓力梯度關係:
第 1.(g) 題5 分
- (5% for each question, total 50%) Answer the following questions. (Derivations are not required)
(g) The drag force experienced by a cylinder of diameter in a uniform stream of flow speed and density is given by:
where is the Reynolds number.
If it is observed from experiments that the drag force is linearly proportional to the free stream speed , then what is the general expression for the function ?
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核心觀念
題目給出的無因次關係為
其中雷諾數
因此,拖曳力可寫成
解題方法
實驗指出,在其他條件固定時, 與 成正比。由上式可知, 中已含有 ,所以函數 必須隨 按反比變化:
第 1.(h) 題5 分
- (5% for each question, total 50%) Answer the following questions. (Derivations are not required)
(h) How does fluid turbulence generally affect (increase or reduce) the friction drag on a solid body?
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核心觀念:紊流(Turbulence)與層流(Laminar Flow)在邊界層內的動量傳遞差異,以及由此對壁面剪應力和摩擦阻力的影響。
解題:
摩擦阻力(Friction Drag)是由於流體與固體表面之間的剪應力(Shear Stress)產生的阻力。
紊流是一種不規則、隨機的流動狀態,其特點是存在著劇烈的速度波動和渦流。
在紊流邊界層中,由於渦流的存在,流體在壁面附近發生了更強烈的動量混合。動量從主流區向壁面傳遞的效率比層流高得多。
第 1.(i) 題5 分
- (5% for each question, total 50%) Answer the following questions. (Derivations are not required)
(i) A fluid of density and viscosity flows through a pipe of diameter and length with an averaged flow speed . If the pressure drop between the inlet and outlet of the pipe is found to be where is a dimensionless constant, then what is the value of ?
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核心觀念
本題考查因次分析(dimensional analysis)。壓降 必須與右側各物理量具有相同的基本因次。
相關物理量的因次為:
其中 為無因次常數,因此不影響因次平衡。
解題方法
由題目給定:
右側因次為:
與壓力因次 比較各基本因次次方,可得:
第 1.(j) 題5 分
- (5% for each question, total 50%) Answer the following questions. (Derivations are not required)
(j) A branching circular pipe system is shown as below. Assume Poiseuille solution for the circular pipe flow applies to each segment of the system, what is the expression for the total friction head loss of this pipe flow (in terms of the relevant parameters specified in the figure below)? Neglect all minor losses.
🖼️【此處有附圖,請對照原卷】
The image shows a branching pipe system with an inlet pipe of length and radius , and two outlet pipes of lengths and and radii and respectively. The total flow rate enters from the left and splits into and in the two outlet pipes. The fluid has density and viscosity .
登入後即可作答並保存紀錄。
核心觀念
本題考串聯管段與並聯管段的摩擦損失。入口管內流量為 ;流至分岔處後,流量分配至兩支出口管。依原圖,兩支出口管的長度皆為 、半徑皆為 ,因此兩支管的流量相等。
圓管 Poiseuille 流的壓降為
壓降換算為水頭損失時,使用 。
解題方法
入口管承受總流量 ,其壓降為
兩支出口管幾何相同,且分岔處至出口的壓降相同,所以流量平均分配:
沿任一出口支管的壓降為
第 2 題15 分
- (15%) Consider a general control volume in fluids. The fluid has a density and a velocity field . The control volume and the corresponding control surface are time-varying quantities. The velocity of the control surface is and the unit normal vector of the control surface is . Derive the control volume form of the mass conservation from the continuity equation:
from the continuity equation:
登入後即可作答並保存紀錄。
核心觀念
本題考查由微分形式的連續方程,推導適用於「控制體積與控制面隨時間變動」的積分形式質量守恆。
已知連續方程為
其中:
- :流體密度
- :流體速度
- :控制面的局部速度
- :控制面的外法向單位向量
- :隨時間變化的控制體積
- :其邊界控制面
控制體積內的總質量為
因此,質量守恆的物理意義是:
解題方法:對移動控制體積積分
將連續方程對瞬時控制體積 積分:
拆成兩項:
第二項利用散度定理轉換成控制面積分:
所以
移動控制體積的積分微分關係
由於控制體積本身隨時間移動或變形,不能直接將
寫成
必須使用移動控制體積的 Leibniz 積分法則,也就是 Reynolds transport theorem 的幾何形式:
整理得
此式的第二項代表:控制面移動所造成的質量積分變化。
代回連續方程的積分式
將式 代入式 :
第 3.(a) 題5 分
- (20%) As shown in the following figure, a thin cylinder bar with a density is hanged with a string at the end O and partially submerged in a liquid fluid with a density . The length of the bar is and the length of the bar submerged in the fluid is . Let so that the bar is floating on the liquid. The magnitude of the gravitational acceleration is .
(a) (5%) Determine the ratio in terms of the density ratio .
🖼️【此處有附圖,請對照原卷】
The image shows a thin bar of length floating vertically in a liquid. The submerged length is . The bar is attached to a string at point O. Gravity acts downwards. The densities of the bar and fluid are and respectively.
登入後即可作答並保存紀錄。
核心觀念
細圓柱桿達到靜力平衡時,對任一點的合力矩為零。取懸掛點 為轉矩中心,繩張力作用於 ,因此不產生轉矩。桿的重量作用於全長中點;浮力作用於浸沒部分的形心。
設桿的截面積為 。由於重量與浮力都垂直向上或向下,力臂的共同幾何因子會相消。
解題方法
桿的重量為
浸沒部分長度為 ,所以浮力為
從 沿桿量起,桿的重心距離為 ;浸沒部分從距離 處延伸至桿末端 ,其形心距離為
對 取轉矩平衡:
第 3.(b) 題15 分
- (20%) As shown in the following figure, a thin cylinder bar with a density is hanged with a string at the end O and partially submerged in a liquid fluid with a density . The length of the bar is and the length of the bar submerged in the fluid is . Let so that the bar is floating on the liquid. The magnitude of the gravitational acceleration is .
(b) (15%) If the bar is perturbed and oscillates about O with a frequency , perform a dimensional analysis (8%) to determine how will the frequency behave with respect to the bar length at a fixed density ratio (7%).
🖼️【此處有附圖,請對照原卷】
The image shows a thin bar of length floating vertically in a liquid. The submerged length is . The bar is attached to a string at point O. Gravity acts downwards. The densities of the bar and fluid are and respectively.
登入後即可作答並保存紀錄。
核心觀念
本題用 Buckingham 定理做量綱分析。頻率 的量綱為 ;相關物理量包括桿長 、重力加速度 ,以及桿與流體的密度 。浸沒長度 也可列入,但它只會形成無因次比值 。
解題方法
先將頻率表示為這些物理量的函數:
這些量的基本量綱為
可組成的無因次群為
第 4.(a) 題5 分
- (15%) An inventor proposes to propel a small, low-speed underwater vehicle with a device that successively closes and opens two rigid flaps as shown above. The sketch shows a scale model being tested in a large, deep pool containing stationary water (density ). In one cycle, the system starts at its maximum open angle , closes at a uniform angular speed until it reaches a smaller angle , and then opens at the same angular speed until it returns to its original angle .
Note that, unlike the depiction in the sketch, and .
(a) (5%) Which direction will the vehicle move (+x or -x or not moving at all)?
🖼️【此處有附圖,請對照原卷】
The image shows a schematic of an underwater vehicle with two flaps. The vehicle is propelled by the motion of these flaps. The flaps are shown at an open angle, and the text indicates they close and open. The direction of motion is along the x-axis.
登入後即可作答並保存紀錄。
核心觀念:動量定理(牛頓第二定律)在推進系統中的應用,特別是作用力與反作用力原理。推進系統通過向流體施加動量來產生反作用力。
解題:
題目描述了一個利用兩個襟翼(flaps)週期性運動來推進水下車輛的裝置。
襟翼的運動是:從最大張開角度 開始,以角速度 閉合到較小角度 ,然後以角速度 打開回到 。
由於 和 都很小,這意味著襟翼的運動速度緩慢。
推進的原理是通過襟翼的運動來改變周圍流體的動量,根據牛頓第三定律,流體對襟翼(以及車輛)產生一個反作用力,即推力。
為了產生淨推力,在一個週期內,襟翼對流體施加的動量改變必須是不對稱的。
第 4.(b) 題5 分
- (15%) An inventor proposes to propel a small, low-speed underwater vehicle with a device that successively closes and opens two rigid flaps as shown above. The sketch shows a scale model being tested in a large, deep pool containing stationary water (density ). In one cycle, the system starts at its maximum open angle , closes at a uniform angular speed until it reaches a smaller angle , and then opens at the same angular speed until it returns to its original angle .
Note that, unlike the depiction in the sketch, and .
(b) (5%) Make an argument of your answer in part (a).
🖼️【此處有附圖,請對照原卷】
The image shows a schematic of an underwater vehicle with two flaps. The vehicle is propelled by the motion of these flaps. The flaps are shown at an open angle, and the text indicates they close and open. The direction of motion is along the x-axis.
登入後即可作答並保存紀錄。
核心觀念:動量定理(牛頓第二定律)在推進系統中的應用,特別是作用力與反作用力原理。推進系統通過向流體施加動量來產生反作用力。
解題:
該推進系統的目的是產生淨推力,使水下車輛前進。
根據牛頓第三定律(作用力與反作用力),車輛施加作用力於流體(改變流體的動量),流體則對車輛施加一個大小相等、方向相反的反作用力(推力)。
為了產生淨向前推力,在一個運動週期內,流體所獲得的淨動量必須是向後的。
襟翼的運動分為兩個階段:
- 閉合階段:襟翼從較大的張開角度 運動到較小的閉合角度 ,運動速度為 。在這個階段,襟翼的運動相當於將水向後推動,增加了水的動量。根據動量守恆,這會對襟翼和車輛產生一個向前的反作用力(推力)。
- 打開階段:襟翼從較小的角度 運動到較大的角度 ,運動速度為 。
第 4.(c) 題5 分
- (15%) An inventor proposes to propel a small, low-speed underwater vehicle with a device that successively closes and opens two rigid flaps as shown above. The sketch shows a scale model being tested in a large, deep pool containing stationary water (density ). In one cycle, the system starts at its maximum open angle , closes at a uniform angular speed until it reaches a smaller angle , and then opens at the same angular speed until it returns to its original angle .
Note that, unlike the depiction in the sketch, and .
(c) (5%) Using the dimensional and scale analyses, estimate the scale of the thrust that the vehicle generates.
🖼️【此處有附圖,請對照原卷】
The image shows a schematic of an underwater vehicle with two flaps. The vehicle is propelled by the motion of these flaps. The flaps are shown at an open angle, and the text indicates they close and open. The direction of motion is along the x-axis.
登入後即可作答並保存紀錄。
核心觀念
本題利用流體慣性造成的動壓估算推力。低速、深水且水流原本靜止,因此主要考慮:
- 流體密度:
- 襟翼面積:
- 襟翼轉動角速度:
- 襟翼長度:
- 小開角:
黏性效應與自由液面效應不列入主要尺度估算。
解題方法
襟翼距離轉軸約為 的位置,其運動速度尺度為
因此襟翼附近造成的動壓尺度為
單一襟翼所受流體作用力尺度為
但此作用力大致垂直於襟翼面,真正沿著車體 方向的推力,還要乘上小角度投影因子:
故單一襟翼產生的軸向推力尺度為
兩片襟翼只會帶來數值上的 倍因子,因此整個裝置的平均推力尺度為