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[谈天说地] 车速多快才能感受到D罩杯?

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发表于 2019-1-5 13:58:32 | 显示全部楼层 |阅读模式
有一天,我在微信上看到这样一条朋友圈:

1546829417931.jpg
虽然一眼没看懂,但当时的我心想,这个A......应该是指压差阻力吧?
毕竟,我从小就是一个很好学的人。这种简单的科学问题根本难不倒我!
1546829420432.jpg

好了,今天的重点当然不是讨论我为什么没有女朋友......
我想讨论的话题首先得从这个压差阻力说起!

1.原理分析
什么是压差阻力?
就是你开车的时候把手伸出去。
1546829422668.jpg

好哒......首先我们要知道,空气是有摩擦力(friction drag)的,或者说空气是有黏性(viscous)的。当流体微团互补掺混,其运动轨迹以有条不紊的方式进行流动时,就会产生下面动图中的效果。一眼看上去好像是流体“粘”在了这根棍状物体上面。这种有条不紊的状态有一个专业名词叫:“层流(laminar)”。而“粘”在上面的那一层东西叫做“边界层(boundary layer)”。
1546829424859.jpg



以一个球体(bluff body)为例。如果空气没有黏性,那么这个球体就不会受到任何压差阻力。
1546829427752.jpg

那么为什么空气有了黏性,就一定会差生压差呢?换句话说,这个球体后面的这个涡流是怎么产生的呢?
我们都知道机翼上表面空气的流速是大于下表面的。根据伯努利方程,机翼上表面的压力会小于下表面。这就是升力产生的其中一个原因。但你别忘了,伯努利方程的前提是一维定常流。从三维的视角来看,其实机翼后缘区域的压力也是比上表面大的。
1546829429703.jpg

而由于空气的黏性,靠近表面的流体速度会不停降低,因为流体要克服这个黏性阻力而不断损失动量或者说能量。而气流要想往后面“吹”,其实就是将动能转变为压力能,以克服压力而运动。
因此当流体的能量低到无法再克服后面压力的时候,这个速度就变成了零。此时,这个“边界层(boundary layer)”就会从物体表面分离。然后后面的高压趁机又“吹了”回来。于是层流就逐步变成了涡流。

啥?没看懂?

我换个说法。你就这么想,根据伯努利方程,如果上表面流速太快,它总有一个时刻会使压强小到后面的风(逆压梯度)能“倒吹”回来。

2.如何解决
我们用仿真软件做一个风洞试验。
视频中,我保持速度不变,着重展示的是不同迎角角度下的压力梯度。当我选择速度参数时,你会清楚地看到尾流不停的产生一个一个的涡流。而每离开一个涡流,就代表有一部分能量被消耗。而当我选择压力参数时,你也能明显看到,当飞机的迎角发生变化之后,压力梯度也会发生明显改变。迎角越大,流体分离得越早,受到的压差阻力也就越大,产生的涡流也就越大,损失的能量也就越多。(下翼面那黑色的一层,还有上翼面一部分“粘着不动的空气”就是层流)
我再总结一下:空气有黏性,然后导致了在尾流(wake)中的流体分离(fluid seperation)。而流体分离的本质其实是压力梯度发生了变化。而正是压力梯度的变化导致了机翼的前后有了压差。(蓝色部分就是压力梯度的变化。注意下图中的第三个压力梯度已经发生逆转。)
1546829431623.jpg
OK,我们现在已经知道,要减小压差阻力的关键就是要减小流体分离之后产生的这一个个涡流(尾流)。那么如何减小?

让流体分离的点往后移,或者说让流体晚点分离。

我举个常识性的例子:高速上开车,你开窗户不如开空调省钱。这里的原因就是你开窗户之后破坏了车子原本的流线外型,流体的分离点提前了。这样产生的涡流使得车身的流体前后压差变大,于是消耗了更多的能量去克服阻力做工。回忆一下你在视频里看到的那些分离的一坨一坨的涡流,都是能量,都是燃油,都是钱啊!
1546829433618.jpg


那么什么东西可以延缓流体分离?

湍流(turbulent flow)。

因为湍流的扰动可以延缓流体分离,减小尾流的尺寸。所以湍流就可以有效的降低压差阻力。
1546829436921.jpg

至于为什么湍流可以延缓流体分离?简单来说就是因为湍流边界层壁面附近(就是物体表面那一层)的流体质点因为强脉动,更容易与外层流速较高的流体质点发生动量交换,或者说能把更多的流体微团带到近壁面,那么近壁面流场的能量就更大了,从而就克服了逆压的影响。

那么现在问题来了,我们怎样才能把这个层流变成湍流呢?

3.下期预告
1546829440007.jpg

@流小龄童:其实说到湍流,我就想到了流沙河......哦,不,是能够产生涡流的stall strips。2019年年初,我会继续创作正能量的技术论文,文理两开花,弘扬流体力学,希望大家能多多关注。

往期精彩:

假装有张二维码

以下是彩蛋!
虽然今天主要讲的东西就是压差阻力。但是你有没有对这个图里面襟翼的作用产生一点疑惑?
只要是民航圈里搞技术的肯定都知道襟翼和缝翼的作用:
1546829441993.jpg
1. 增加机翼面积;
2. 改变翼型(airfoil);
3. 增加一条或者几条缝隙让下方气流通过;

那么结合今天所讲的内容,我分享一个新的说法。以襟翼为例,它就是增加缝隙,让下方高能量或者说高压的气流“吹”到上翼面,来对冲这个地方所产生的逆压力梯度。那么这个地方分离的流体就又有了,又形成了层流。
好吧,我知道说的再多都不如动画来的形象,看看下面的两个GIF吧。

mmexport1546829979932.gif
襟翼的效果

mmexport1546829982945.gif
缝翼的效果

彩蛋都看完了,不点个赞再走?
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 楼主| 发表于 2019-2-17 14:29:33 来自手机 | 显示全部楼层
吗耶 发表于 2019-02-17 07:51
弄锤子,你不劝退专家吗

没错!但是我心中的那团对技术的火是不会熄灭滴!(请配上石斑鱼的声音)
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 楼主| 发表于 2019-1-7 11:31:07 | 显示全部楼层
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发表于 2019-2-17 07:51:33 | 显示全部楼层
弄锤子,你不劝退专家吗
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