表面的凹坑减小空气阻力可以用于飞机火车汽车吗

2019-11-17 12:02:18

短答案：不能长答案：流场中的物体受到的阻力分为两类，一种叫压差阻力，一种叫粘滞阻力（pressuredragandfrictiondrag）。压差阻力缘自前后流体压力的差别，因为尾流（wake）中的压力比前方小。粘滞阻力缘自物体表面的流体粘性（skinfriction）。严格来说，如果流体没有粘性两类阻力都不会产生（达朗贝尔悖论），但是一般金狮贵宾会登录网址还是采取这样的分类。粘滞阻力如同摩擦力一般很难克服。而压差阻力和物体形状有很大关系。如果一个物体所受阻力主要是压差阻力，例如皮球，金狮贵宾会登录网址称之为钝体（bluffbody），反之则为流线体（streamlinebody）。显然，流线型设计的综合阻力小得多（见下图，从上到下，从钝体到流线体）。因此，汽车、火车、飞机的设计都向流线体靠拢，以减少压差阻力。高尔夫球显然是钝体。但金狮贵宾会登录网址无法改变其外形，不然就不称之为球了。因此，减少它的压差阻力需要另辟蹊径。从上图金狮贵宾会登录网址可以看到，随着横轴上雷诺数的增加，钝体阻力系数在某个位置有一个突降的过程之后又会慢慢升高。这个现象被称为阻力危机（dragcrisis），而其中的关窍即为湍流。如前所述，压差阻力的来源是尾流中的低压，而湍流的扰动正可以延缓流动分离（flowseperation），减小尾流的尺寸。因此，湍流可以有效降低压差阻力，但湍流又会让边界的速度梯度变大，增加粘滞阻力。不过对于钝体如高尔夫球来说，因为压差阻力占了大头，总的阻力任然是减小的。明白了这一点，接下来的问题就变成如何在同样的球速和尺寸下提前刺激出湍流来，实际的办法就是在表面增加凹坑。普朗特和Wieselberger做了一个这样的实验来说明这个现象，左图是一个普通的球体，右图在球体前半部加了一道箍（类似凹坑的作用）。从即时的图像（上）和长曝光的图像（下图）都可以看到，因为箍的干扰，湍流提前出现，流动分离延后了，尾流也小得多。（图片实际是ONERA在80年代重现的，ONERA相当于法国的NASA）。了解了两种阻力的区别和凹坑的作用，你就不难明白为什么这种方法不能适用于飞机汽车。首先，飞机汽车的阻力主要是粘滞而非压差，其次凹坑会提前激发湍流，增加了占大头的粘滞阻力，起了反作用。实际的飞机汽车外形设计为了降低阻力，多数是尽量抑制湍流。比如NASA在90年代有过一系列的F-16XL超音速层流控制项目，意图通过改善外形设计和主动吸气（suction）装置在高速飞行中也能实现层流。设计中激发湍流的目的一般还是抑制分离（机翼低俗大攻角）。常用的办法和高尔夫球原理类似，叫做漩涡发生器（voertexgenerator），研究中的方法多采取各式作动器，通过震动、声波来达到目的。最后补充一点历史，dragcrisis最早由法国工程师埃菲尔（造铁塔那个）于1912年发现，普朗特1914年做了上述实验提出说明。高尔夫球的凹坑设计是WilliamTaylor于1905做出，WilliamTaylor不是剑桥那个G.I.Taylor，应该对流体力学一无所知吧。以上普朗特tripwire实验图片出处是vanDyke的流体运动影集（Analbumoffluidmotion），有很多精彩的照片，对流体有兴趣的同学可以找来看。如果每幅图的前因后果都能有一个大概了解，对流体力学的基础是很好的巩固。

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