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以汽車為參照物，空氣經(jīng)過汽車后的動量減小了，根據(jù)動量定理，這部分減小的動量產(chǎn)生了對汽車的阻力。 導讀 流動阻力是一個涉及很廣的問題。汽車高速行駛的油耗主要來源于空氣阻力而不是地面的摩擦阻力，霧霾之所以可以“懸浮”在空中也是由于流動阻力，槍彈和炮彈的飛行距離遠小于根據(jù)平拋或者斜拋計算的距離，這些都說明了空氣阻力的重要性。 ( L+ s+ z9 J' c) z- ^* H
01 壓差阻力和摩擦阻力 從受力角度分析，物體受到的阻力是流體直接作用在其表面上的。垂直于物體表面的是流體的壓力，其產(chǎn)生的阻力稱為壓差阻力；平行于物體表面的是流體的黏性剪切力，其產(chǎn)生的阻力稱為摩擦阻力。除了這兩種力之外，再沒有其它的力了。所以物體的總阻力就是壓差阻力和摩擦阻力的合力，壓差阻力與物體的形狀密切相關，摩擦阻力則主要與物體的表面積相關。 有些地方說除了壓差阻力和摩擦阻力之外還存在誘導阻力，以及激波阻力等，是屬于一種誤解。實際上誘導阻力和激波阻力都可以歸結(jié)為壓差阻力和摩擦阻力（主要是壓差阻力）。
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02 形狀阻力之后部阻力 自古以來人們就知道在流體中運動的物體會受到阻力作用，且阻力與物體形狀密切相關。但最初的流體力學理論卻得出了相反的結(jié)論。基于歐拉和伯努利的流體運動定律，如果忽略流體的黏性，則流體對在其中運動的任何形狀的物體都不產(chǎn)生阻力作用。 看來阻力完全是黏性產(chǎn)生的了，但空氣的黏性非常小，其產(chǎn)生的摩擦阻力比實際測量得到的氣動阻力要小很多。這個矛盾在歷史上稱為“達朗貝爾佯謬”，因為是由法國數(shù)學家達朗貝爾提出的。 直到普朗特提出了邊界層理論，人們才真正認識到了流動阻力的實質(zhì)。壓差阻力才是氣動阻力的主要組成部分，而對于一般的物體，壓差阻力則主要是由于邊界層分離產(chǎn)生的。 早期的人們（可能現(xiàn)在很多人也這樣認為）基于某種“常識”，認為物體前部的形狀決定了阻力的大小，前部尖一些阻力就會小。有了邊界層理論后，發(fā)現(xiàn)物體后部的形狀才是更重要的。因為物體后部的形狀決定了邊界層分離的位置，從而決定了物體表面的壓力分布。 常見的魚和鳥都是較為完美的流線體，是圓頭尖尾巴的。
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03 形狀阻力之前部阻力 雖然說物體后部的形狀對阻力大小是決定性的，但前部形狀也是很重要的。例如，物體前部如果是方頭的，流體就會在尖角處早早地分離，后部精心設計的形狀就失去意義了。目前在高速公路上跑的卡車，已經(jīng)實現(xiàn)的形狀優(yōu)化主要集中在前部，后部受集裝箱形狀的限制，所做的工作較少。對于跨聲速運動的物體，激波會產(chǎn)生額外的阻力，所以前部都設計成很尖的形狀，使激波的錐角更小，以減小阻力。 & g% f. O5 O- _1 L0 S( M/ {% Y
04 激波阻力 當來流速度接近或超過聲速時，會產(chǎn)生激波，帶來額外的激波阻力。本質(zhì)上說，激波阻力也是一種壓差阻力，是由于激波的存在，使物體后半部的壓力恢復不夠而造成的。忽略黏性損失，當沒有激波時，氣流在物體后半部減速對應一個壓升Δp1 ；當存在激波時，氣流經(jīng)過激波時部分損失了部分機械能，同樣的減速對應的壓升Δp2 就會比Δp1 要小。因此，有激波時物體后半部的壓力要低一點，這就是激波阻力的來源。把物體前緣做成尖的可以減小激波錐角，從而減小激波帶來的損失，也就減小了激波阻力。船在水面行進時會產(chǎn)生水面波，也會有波阻力，所以要做成尖頭的，而在水下行進的潛艇則是圓頭的。 用能量損失來解釋激波阻力不夠直接，畢竟物體表面的壓力和黏性力才是直接決定阻力大小的因素。下面用物體表面壓力變化來解釋激波阻力。 05 形狀和表面質(zhì)量對阻力的影響 減小阻力是流體力學永恒的主題。采用流線形可以有效地減小壓差阻力，這主要是因為設計良好的流線體表面不存在邊界層分離，從而減小了壓差阻力。 除了外形，物體的表面粗糙度對阻力也影響阻力。一般表面越光滑摩擦阻力越小，但有時卻故意讓物體表面粗糙，使邊界層變成湍流來抑制分離，從而顯著地降低壓差阻力。
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06 總結(jié) 分析物體的氣動阻力的時候，流體力學的習慣是按照力的作用形式分。垂直作用在物體表面的壓力產(chǎn)生的阻力稱為壓差阻力，而平行于物體表面的摩擦力形成的阻力稱為摩擦阻力。由于物體表面不存在這兩種力之外的力，所以任何一種阻力不是壓差阻力就是摩擦阻力，或者兼而有之。 流動分離產(chǎn)生的壓差阻力和激波產(chǎn)生的壓差阻力是影響物體氣動阻力的最大因素。 亞聲速的低阻力物體是圓頭尖尾的，超聲速的低阻力體則頭尾都要尖。
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發(fā)表于 2023-5-3 13:52:39
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