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流体力学

边界层一旦剥离,阻力就猛增

阻力 = 摩擦阻力 + 压差(形状)阻力,逆压梯度致剥离→尾流,FD = ½ρv²CD A,高尔夫凹坑推迟剥离

同样的速度下,平板使劲推开空气,水滴形却干净利落地划过。差别就在于流动在身后剥离时留下的尾流。拖动速度,看看流动在物体后面怎样裂开。

流动平滑地裹住圆形物体的前部,但在背面某处再也贴不住表面、剥离开来。它身后形成又慢又打旋的尾流(wake)。尾流里压力很低,于是前面的高压在推、后面的低压顶不回来,物体就被往下游拽。这就是压差阻力。拖动速度,尾流翻腾得更凶。

即便正面面积相同,形状也决定尾流大小。用按钮切换。钝头物体(平板、圆柱)让流动早早剥离,形成宽尾流和大阻力;流线形(水滴)后部平缓,流动一直贴到末端,几乎没有尾流、阻力很小。所以飞机、鱼、汽车都把尾部拉得长长的。

流动为什么会剥离?在物体背面,流动变宽变慢,压力反而升高——形成逆压梯度。贴壁的慢层顶不过这道上坡压力,先停住、再倒流,从表面剥离开来。拖动逆压梯度的陡度,分离点就往前移,回流区变大。

阻力的大小汇成一个式子:FD = ½ ρ v² CD A。它是流体密度 ρ、速度平方 v²、阻力系数 CD(由形状和剥离决定)、正面面积 A 的乘积。拖动速度 v,阻力按 v² 窜起。速度翻倍,阻力翻四倍。所以高速时空气阻力占主导。

高尔夫球为什么有凹坑(dimple)?光滑球的层流边界层早早剥离,形成宽尾流和大阻力。凹坑故意把边界层搅成湍流,而湍流边界层更能顶住逆压梯度,于是剥离得更晚。这样尾流缩小,压差阻力大幅下降。表面摩擦略增,但尾流减少得多得多,所以带凹坑的球飞得更远。用按钮比较尾流和阻力。下一讲,我们用无量纲数把这些流动现象统统串起来,进入量纲分析。

实际应用总结一下:物体受的阻力,是表面剪切汇成的摩擦阻力,加上剥离尾流留下的前后压差造成的压差(形状)阻力之和。剥离发生在贴壁的慢流顶不过物体背面的逆压梯度、倒流的时候。钝头物体早剥离,尾流和阻力大;流线形把流动保持到末端,就小。大小为 FD = ½ ρ v² CD A,正比于速度平方,CD 由形状、剥离和 Re 决定。高尔夫球的凹坑把边界层搅成湍流以推迟剥离、缩小尾流,从而降低阻力。下一讲,我们用无量纲数把这一切串起来,进入量纲分析。
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