流体力学
阻力与流动分离
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
同样的速度飞过去,平板把空气猛地推开,水滴形却光滑地切开通过。差别在于流动在后面离开时留下的尾流,拖动速度,看物体后面流动怎样分开。后面空了,前面就推。差别就是尾流的大小。尾流越大,阻力越大。
流动光滑地包住圆物体的前面,在后面某处跟不上表面就离开,后面出现又慢又打旋的尾流 (wake)。这个尾流里面压力低,前面高压力推,后面低压力托不住,物体就被向后拖,这就是压差阻力。拖动速度,尾流更猛。空的后面把物体拉住。
同样的迎风面积,形状决定尾流的大小。用按钮切换,钝的物体流动早早离开,造出宽尾流和大阻力,流线形后面平缓,流动贴到最后,尾流几乎没有,阻力小。所以飞机、鱼、汽车都把后面拉长。长尾巴把流动抓住。
流动为什么离开?物体后面,流动变宽、变慢,压力反而升高,出现逆压梯度。壁附近的慢层扛不住这个上坡压力,停住,再倒着流,从表面离开。拖动逆压梯度的陡度,分离点被拉向前,倒流区域变大。扛不住上坡的层转过身。
阻力的大小收成一个式子。FD = ½ ρ v² CD A,也就是流体密度、v²、阻力系数 CD、迎风面积 A 的乘积。拖动速度 v,阻力按 v² 窜高,空的后面把前面推着。,速度变成两倍,阻力就是四倍。所以高速时空气阻力占主导。
高尔夫球为什么有凹坑?光滑的球层流边界层早早离开,造出宽尾流和大阻力,凹坑故意把边界层变成湍流,湍流边界层更能扛逆压梯度,更晚才离开。于是尾流缩小,压差阻力大幅下降。表面摩擦稍增,可是尾流的减少大得多,有凹坑的球飞得更远,用按钮比较尾流和阻力,差别就看见。把这些流动现象用无量纲数捆起来的量纲分析接着来。
实际应用收起来说,物体受到的阻力是表面剪切加起来的摩擦阻力,加上流动离开造成的尾流、前后压差造成的压差阻力。分离是物体后面的逆压梯度,壁附近的慢流动扛不住、倒着流而发生。钝的物体早早离开,尾流和阻力大,流线形把流动抓到最后,阻力小。大小是 FD = ½ ρ v² CD A,和速度的平方成正比,CD 由形状、分离和 Re 决定。高尔夫球的凹坑把边界层变成湍流,推迟分离,缩小尾流,降低阻力。把这一切用无量纲数捆起来的量纲分析接着来。
← 流体力学