|
以汽车为参照物，空气经过汽车后的动量减小了，根据动量定理，这部分减小的动量产生了对汽车的阻力。 导读 流动阻力是一个涉及很广的问题。汽车高速行驶的油耗主要来源于空气阻力而不是地面的摩擦阻力，雾霾之所以可以“悬浮”在空中也是由于流动阻力，枪弹和炮弹的飞行距离远小于根据平抛或者斜抛计算的距离，这些都说明了空气阻力的重要性。
5 ?: b% r0 B# s) ~4 S$ R* h
01 压差阻力和摩擦阻力 从受力角度分析，物体受到的阻力是流体直接作用在其表面上的。垂直于物体表面的是流体的压力，其产生的阻力称为压差阻力；平行于物体表面的是流体的黏性剪切力，其产生的阻力称为摩擦阻力。除了这两种力之外，再没有其它的力了。所以物体的总阻力就是压差阻力和摩擦阻力的合力，压差阻力与物体的形状密切相关，摩擦阻力则主要与物体的表面积相关。 有些地方说除了压差阻力和摩擦阻力之外还存在诱导阻力，以及激波阻力等，是属于一种误解。实际上诱导阻力和激波阻力都可以归结为压差阻力和摩擦阻力（主要是压差阻力）。 9 z, A* c+ C5 E u# ]% p
02 形状阻力之后部阻力 自古以来人们就知道在流体中运动的物体会受到阻力作用，且阻力与物体形状密切相关。但最初的流体力学理论却得出了相反的结论。基于欧拉和伯努利的流体运动定律，如果忽略流体的黏性，则流体对在其中运动的任何形状的物体都不产生阻力作用。 看来阻力完全是黏性产生的了，但空气的黏性非常小，其产生的摩擦阻力比实际测量得到的气动阻力要小很多。这个矛盾在历史上称为“达朗贝尔佯谬”，因为是由法国数学家达朗贝尔提出的。 直到普朗特提出了边界层理论，人们才真正认识到了流动阻力的实质。压差阻力才是气动阻力的主要组成部分，而对于一般的物体，压差阻力则主要是由于边界层分离产生的。 早期的人们（可能现在很多人也这样认为）基于某种“常识”，认为物体前部的形状决定了阻力的大小，前部尖一些阻力就会小。有了边界层理论后，发现物体后部的形状才是更重要的。因为物体后部的形状决定了边界层分离的位置，从而决定了物体表面的压力分布。 常见的鱼和鸟都是较为完美的流线体，是圆头尖尾巴的。 }+ Y! C: }! Q6 j/ u5 `3 q9 |+ q
03 形状阻力之前部阻力 虽然说物体后部的形状对阻力大小是决定性的，但前部形状也是很重要的。例如，物体前部如果是方头的，流体就会在尖角处早早地分离，后部精心设计的形状就失去意义了。目前在高速公路上跑的卡车，已经实现的形状优化主要集中在前部，后部受集装箱形状的限制，所做的工作较少。对于跨声速运动的物体，激波会产生额外的阻力，所以前部都设计成很尖的形状，使激波的锥角更小，以减小阻力。 ) e' ~1 ]5 Z5 f2 b
04 激波阻力 当来流速度接近或超过声速时，会产生激波，带来额外的激波阻力。本质上说，激波阻力也是一种压差阻力，是由于激波的存在，使物体后半部的压力恢复不够而造成的。忽略黏性损失，当没有激波时，气流在物体后半部减速对应一个压升Δp1 ；当存在激波时，气流经过激波时部分损失了部分机械能，同样的减速对应的压升Δp2 就会比Δp1 要小。因此，有激波时物体后半部的压力要低一点，这就是激波阻力的来源。把物体前缘做成尖的可以减小激波锥角，从而减小激波带来的损失，也就减小了激波阻力。船在水面行进时会产生水面波，也会有波阻力，所以要做成尖头的，而在水下行进的潜艇则是圆头的。 用能量损失来解释激波阻力不够直接，毕竟物体表面的压力和黏性力才是直接决定阻力大小的因素。下面用物体表面压力变化来解释激波阻力。 05 形状和表面质量对阻力的影响 减小阻力是流体力学永恒的主题。采用流线形可以有效地减小压差阻力，这主要是因为设计良好的流线体表面不存在边界层分离，从而减小了压差阻力。 除了外形，物体的表面粗糙度对阻力也影响阻力。一般表面越光滑摩擦阻力越小，但有时却故意让物体表面粗糙，使边界层变成湍流来抑制分离，从而显著地降低压差阻力。
8 `; p! p D" V d; t
06 总结 分析物体的气动阻力的时候，流体力学的习惯是按照力的作用形式分。垂直作用在物体表面的压力产生的阻力称为压差阻力，而平行于物体表面的摩擦力形成的阻力称为摩擦阻力。由于物体表面不存在这两种力之外的力，所以任何一种阻力不是压差阻力就是摩擦阻力，或者兼而有之。 流动分离产生的压差阻力和激波产生的压差阻力是影响物体气动阻力的最大因素。 亚声速的低阻力物体是圆头尖尾的，超声速的低阻力体则头尾都要尖。 * {2 k5 K, c& w1 ^: n7 N/ r
| 
发表于 2023-5-3 13:52:39
