表面的凹坑減小空氣阻力,可以用於飛機、火車、汽車嗎? | 知乎問答精選

 

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表面的凹坑減小空氣阻力,可以用於飛機、火車、汽車嗎?

2017年05月09日 知乎問答精選 暫無評論 閱讀 144 ℃ 次

【馬拉轟的回答(264票)】:

短答案:不能

長答案:

流場中的物體受到的阻力分為兩類,一種叫壓差阻力,一種叫粘滯阻力(pressure drag and friction drag)。壓差阻力緣自前後流體壓力的差別,因為尾流(wake)中的壓力比前方小。粘滯阻力緣自物體表面的流體粘性(skin friction)。嚴格來說,如果流體沒有粘性兩類阻力都不會產生(達朗貝爾悖論),但是一般我們還是採取這樣的分類。

粘滯阻力如同摩擦力一般很難克服。而壓差阻力和物體形狀有很大關係。如果一個物體所受阻力主要是壓差阻力,例如皮球,我們稱之為鈍體(bluff body),反之則為流線體(streamline body)。顯然,流線型設計的綜合阻力小得多(見下圖,從上到下,從鈍體到流線體)。因此,汽車、火車、飛機的設計都向流線體靠攏,以減少壓差阻力。

高爾夫球顯然是鈍體。但我們無法改變其外形,不然就不稱之為球了。因此,減少它的壓差阻力需要另闢蹊徑。從上圖我們可以看到,隨著橫軸上雷諾數的增加,鈍體阻力係數在某個位置有一個突降的過程之後又會慢慢升高。這個現象被稱為阻力危機(drag crisis),而其中的關竅即為湍流。

如前所述,壓差阻力的來源是尾流中的低壓,而湍流的擾動正可以延緩流動分離(flow seperation),減小尾流的尺寸。因此,湍流可以有效降低壓差阻力,但湍流又會讓邊界層變薄,增加粘滯阻力。不過對於鈍體如高爾夫球來說,因為壓差阻力佔了大頭,總的阻力任然是減小的。

明白了這一點,接下來的問題就變成如何在同樣的球速和尺寸下提前刺激出湍流來,實際的辦法就是在表面增加凹坑。普朗特和Wieselberger做了一個這樣的實驗來解釋這個現象,左圖是一個普通的球體,右圖在球體前半部加了一道箍(類似凹坑的作用)。從即時的圖像(上)和長曝光的圖像(下圖)都可以看到,因為箍的干擾,湍流提前出現,流動分離延後了,尾流也小得多。(圖片實際是ONERA在80年代重現的,ONERA相當於法國的NASA)。

瞭解了兩種阻力的區別和凹坑的作用,你就不難明白為什麼這種方法不能適用於飛機汽車。首先,飛機汽車的阻力主要是粘滯而非壓差,其次凹坑會提前激發湍流,增加了佔大頭的粘滯阻力,起了反作用。

實際的飛機汽車外形設計為了降低阻力,多數是盡量抑制湍流。比如NASA在90年代有過一系列的F-16XL 超音速層流控制項目,意圖通過改善外形設計和主動吸氣(suction)裝置在高速飛行中也能實現層流。

設計中激發湍流的目的一般還是抑制分離(機翼低俗大攻角)。常用的辦法和高爾夫球原理類似,叫做漩渦發生器(voertex generator),研究中的方法多採取各式作動器,通過震動、聲波來達到目的。

最後補充一點歷史,drag crisis最早由法國工程師埃菲爾(造鐵塔那個)於1912年發現,普朗特1914年做了上述實驗提出解釋。高爾夫球的凹坑設計是William Taylor於1905做出,William Taylor不是劍橋那個G. I. Taylor,應該對流體力學一無所知吧。

以上普朗特tripwire實驗圖片出處是van Dyke的流體運動影集(An album of fluid motion),有很多精彩的照片,對流體有興趣的同學可以找來看。如果每幅圖的前因後果都能有一個大概瞭解,對流體力學的基礎是很好的鞏固。

【知乎用戶的回答(15票)】:

@馬拉轟有長短答案,我來個中答案:

這個問題的核心其實是雷諾數,以及與雷諾數密切相關的轉捩。最後,直接決定這一措施是否有效的是,物體表面是否存在分離,以及分離是層流分離還是湍流分離。

高爾夫球雷諾數低,如果沒有凹坑,將發生層流分離,所以佈置凹坑可以產生減阻的效果。如果物體表面極少存在分離(像正常飛行的飛機),或只存在湍流分離(汽車,火車,大迎角飛行的大型飛機),那麼佈置凹坑對減阻是不會有太多益處的。

----耐心分割線----

雷諾數(Reynolds Number)=

, 密度*速度*特徵長度除以粘性係數。我們可以認為空氣的密度和粘性是常數,這樣決定雷諾數的就是速度和特徵長度。特徵長度是個什麼長度呢,因為此處將考慮轉捩問題,我們就用物體的流向長度當作特徵長度。好,雷諾數暫且按下不表。

為什麼說措施的有效性與分離密切相關呢?參看 @馬拉轟的答案,浸潤在氣流中的物體所受到的阻力,分為摩擦阻力和壓差阻力。而摩擦阻力可以認為是跟物體表面積,行話叫浸濕面積成正比。你搞這麼多坑當然沒什麼好處了。所以,凹坑是通過抑制分離來達到減阻的效果,就像@馬拉轟的答案解釋的那樣。

那麼,這樣就比較清楚了,如果物體表面本來就沒有多少流動分離,那麼弄坑是沒有用的。所以飛機在絕大部分時間是用不到這玩意的。

為什麼凹坑能能降低高爾夫球的阻力呢?因為凹坑誘導了層流到湍流的提前轉捩,而湍流有比層流更強的抗分離能力。這是因為湍流有更旺盛的動量和能量交換,可以使遠離壁面的自由流的能量更多得進入邊界層。這其中的機理非專業人士很難完全搞清楚,我們姑且暫時接受這一結論。

什麼是層流和湍流呢。哎呀,話說湍流可是經典力學領域內為數不多尚未完全解決的問題之一呀,這可不太好解釋。姑且這麼認為吧,層流是氣流的一種平靜的穩態,像姑娘柔順的秀髮。當層流把持不住失穩以後,就會過渡到湍流,這是一種混亂激突的「穩態」,就像一頭自來卷。可以想像,湍流更容易把空氣摻和勻一點,也就是所謂的更強的動量和能量擴散效應。

一般浸潤在大氣中的物體,其表面的層流通常會維持到雷諾數幾十萬到一兩百萬的量級。空氣的密度大概是

,而粘性係數只有

。這樣,你會發現,如果不加干涉的話,高爾夫球表面處於層流狀態,而汽車,飛機,火車這些東西,在其尾部甚至表面絕大部分表面,已經自然浸潤在湍流中了,根本不需要,也沒有必要使用凹坑來迫使轉捩提前。

話說,流言終結者這期節目我也看了。我 對他們這個實驗的設計還是持有比較大的保留態度的,畢竟對於汽車來講,主要的阻力不在風阻。更甚至他們用耗油量來估計阻力,實在有點糙。

前邊幾位有提到過渦流發生器,就是對付湍流分離用的。在外形不好再動手腳的時候,就會祭出渦流發生器這個難看但是好使的東西,攪起強勁的漩渦,把物面處的低速氣流吹個乾淨。機翼上那種看都看不清的小片片太不上檔次了,這才是真正的大殺器。

在起飛和著陸的時候,飛機的迎角比較大,發動機這個圓筒的後面難免會出現分離,進而影響到其下游的機翼。所以,狗急跳牆的氣動工程師就給發動機殼子上裝了這麼個玩意。

這個片片的安裝位置和角度都很考究的哦。如果沒記錯的話,這玩意當年還是空客的專利呢。

【柴健翌的回答(4票)】:

表面凹坑這樣的原理其實在飛機上是有應用的,不過不全是為了降低阻力,有調整氣動性能的,也有降噪的

你坐飛機的時候看看機翼前排,上面有一排很小的像小刀片一樣的東西,其實並不是釘子,而是湍流發生器,擾動流過機翼的氣流,抑制機翼上的氣流分離,改善低速性能。類似的小調整片飛機渾身上下都有不少,每一片都有學問

此外737風擋玻璃前面也有一排,改善風擋玻璃前面的氣流,降低駕駛艙風噪

【知乎用戶的回答(4票)】:

不可以。不符合設計的基本規範。

運動型的設計,一般都不會使用凹陷。凹陷在結構上,有天然的缺陷,就是不耐撞。尤其是例如自行車等,基本上有稜角的設計都不可以有。

一般會選擇富有肌肉感的設計,就是凸起的設計,這樣結構強度會好很多。

【chanchueng的回答(0票)】:

在汽車上有應用。鯊魚鰭和氣流擴散器就算應用。大多數汽車都會在車尾做文章,來降低壓差阻力。在飛機上就不知道了。

【叢不知的回答(0票)】:

不能

【徐大偉的回答(0票)】:

不能,紊流和自旋和旋轉和速度不均勻和能量不均勻是很可怕的。

【知乎用戶的回答(0票)】:

原則上是可以實行的,不過我認為沒有實行的原因是材料強度或者工藝的限制。關於樓上說的流線型不需要凹坑的問題,目前在子彈上的表面凹坑,確實是可以減少阻力

【門業坤的回答(0票)】:

高爾夫6的車底就是佈滿凹坑的

【葫蘆的回答(0票)】:

擦,身為高爾夫行業的我從來沒有想過這個問題,高爾夫球上的凹陷到時有數量區別,另外,材質與層數也是它的限制之一。

標籤:-汽車 -空氣動力學 -流體力學 -高爾夫(運動)


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