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以汽車為參照物，空氣經過汽車后的動量減小了，根據動量定理，這部分減小的動量產生了對汽車的阻力。 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。 2 q# W4 @2 J9 z s+ u! n) B
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為壓差阻力和摩擦阻力（主要是壓差阻力）。 ( d$ y- `4 p3 e z/ u
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生阻力作用。 看來阻力完全是黏性產生的了，但空氣的黏性非常小，其產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。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生的。 早期的人們（可能現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，發現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。 * i8 M6 V) w8 C5 K# V3 Y' K
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，已經實現的形狀優化主要集中在前部，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。 1 B- l0 @& ^3 D2 k% l+ }
04 激波阻力 當來流速度接近或超過聲速時，會產生激波，帶來額外的激波阻力。本質上說，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 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。 流動分離產生的壓差阻力和激波產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。 $ C& L5 Y0 I( C$ |8 D
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發表于 2023-5-3 13:52:39
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