打開車窗,風為什麼從車外向車裡吹? | 知乎問答精選

 

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打開車窗,風為什麼從車外向車裡吹?

2018年04月16日 知乎問答精選 暫無評論 閱讀 34 ℃ 次

【physixfan的回答(266票)】:

這是個好問題,我曾經也有過同樣的困惑。

風其實是雙向的,既有從車內到車外的風,又有車外到車內的風。否則車內的空氣不就越來越少或者越來越多了嘛,而這是不可能的。

有意思的問題是,根據伯努利原理「流體流速大則壓強小」,到底車內和車外哪裡空氣壓強更高呢?到底是哪個參考系的流速決定了壓強大小?

首先要回顧一下伯努利方程的推導,見伯努利原理_百度百科。可見,推導時需要用到定常流動這一假設,即速度場等流體性質不隨時間而改變。如果以地面為參考系,車是在移動的,勢必會造成流場不是定常流動,因此地面參考系不滿足伯努利原理的前提條件,在地面參考系使用伯努利原理是錯誤的。在汽車參考系對車外的空氣做一些假設則可以認為是定常流動,此時可以認為車窗內空氣流速小所以壓強大。

以地面為參考系來解這個問題自然也是可以的,從最基本的具有伽裡略不變性的Navier-Stokes方程出發直接數值求解是正確的做法之一,只是要小心邊界條件是隨時間變化的。但是在地面參考系使用伯努利原理就是錯誤的了。

知乎上有一個相關問題的精彩答案 汽車行駛時從開著的窗戶吹進來的空氣最終是從哪裡流走或者轉化了的? 裡面 @stevenliuyi 給出了一張模擬的汽車內外流場圖(以汽車為參考系),可以給大家一個更深刻的印象:

在流體力學裡如果想要轉換坐標系需要特別的注意,我自己在學習流體力學的過程中以及最一開始寫這個問題答案的時候都犯過錯誤。固定邊界(以形成定常流動)是最常用的流體力學邊界條件,很多結論都依賴於此邊界條件,但是它太常用以至於很多時候我們都沒有意識到一些結論是依賴這個邊界條件的,換了參考系就不能直接使用了。在流體力學中轉換參考系需要謹慎再謹慎。

【毛穎博的回答(19票)】:

我終於可以光明正大的寫下這兩個字了:謝邀。

先挖個坑,等我上班回來答。

----------------------------------分割線---------------------------------

題主,你的分析錯誤在於兩點:

1、方程沒選對。

2、錯誤地引用了相對能量的概念。

一個一個來。

假設車內參數下標為1,車外參數下標為2,你的分析是有一個前提的,那就是:

(車內外靜壓+動能相等)

或者:

(車內外總壓相等)

可是對於您描述的情況,這個方程並不適合。為什麼?因為車內的總壓本來就和車外的總壓不相等啊。

我們從在車起步之前開始分析,辣時候,車內外總壓和靜壓都是相等的。但是當車加速到一個勻速的時候,車子對車內的氣體是做了功的,根據能量方程,這時候車內的總壓要大於車外的總壓,而車內的靜壓等於車外的總壓(不考慮粘性損失,如果考慮的話,車內靜壓大於車外總壓)。用方程寫出來就是:

關於坐標系變換,題主要注意一點,在能量方程裡做坐標系變換時非常精細的,對於初學者而言,常犯的錯誤就是出現了相對能量的概念。我實在要幹活了,晚上回家再補齊。

-------------------------------report寫累了,把坑填了-------------------------------

題主,我今天工作的時候突然想了想,發現你這個坑好大。。。。我想著想著腦洞都要開了。

不扯淡。就用題主的方法,以地面為參考系。

我決定先秉承知乎的風格,先說是不是,再說為什麼。

上張粗糙的圖:

圖中箭頭表示氣體相對車的相對速度。

正如我之前分析出來的結論,車裡的氣體靜壓是要等於大氣的總壓的(無粘)。事實是,如果氣體是無粘的,那麼只要車始終保持勻速,那麼不會有任何氣體經過「車」的邊界。為什麼?因為大氣是靜止的,所以大氣的靜壓和總壓相等,也就是說大氣的靜壓和車內的靜壓相等,所以沒有任何驅動力使得車內的氣體流出來或者大氣流入車體,即:

所以在理想狀態下,題主你的問題壓根就不成立。

既然理想狀態不行,那麼實際題主你遇到的氣體是怎樣的呢?不好意思,他是有粘性的。那麼還是這個車,這個圖就變成了下面這樣:

注意,圖中的三角形表示的是車身附近空氣的速度分佈,這是由於粘性導致的不可滑移邊界條件。注意,圖中的三角形表示的是車身附近空氣的速度分佈,這是由於粘性導致的不可滑移邊界條件。

假設車身無限長,大氣的範圍無窮大,考慮層流不考慮湍流,那麼當車輛勻速運行時,方程就變成了:

因為無窮大的大氣保證其總壓不變,但是因為有了速度,所以靜壓自然要下降,所以這時候,答主打開車窗的瞬間,會感覺腦後有風朝外吹。

但是,這是實際情況嗎?

……

……

……

當然不是!不然腦洞早都爆了好嗎!你在哪見過無限長的車身。。。

所以問題就需要進一步複雜化。、因為車身的長度有限,那麼在車頭的部位,因為車身不可滑移邊界條件的限制,會出現一個不連續的速度分佈,如下圖:

虛線處,理論上來說速度會從0猛地變為和車速一樣,當然,實際情況由於流線可彎曲、氣體可壓縮,所以其實速度是非常平滑的變化過來的,但是無論哪種情況,可以肯定的是,車對周圍的大氣做了功。而且這個功和之前的簡化情況不同,這使得車身附近氣體的總壓增加了,所以之前的討論就無法保證車內的靜壓大於大氣的靜壓了,那麼空氣是否從車內流向車外就無從得知了。

而真實的情況,如果不考慮不定常性,那麼當車輛勻速行駛後,開窗的瞬間,正如之前的分析一樣,車身可視為無限長(瞬間!),那麼因為內外靜壓差,氣體會從窗戶跑到大氣裡。接下來,質量失衡會迫使外部的氣體補充進來,從而形成循環。

------------------Update------------------------

我還是做個更新吧,免得誤人子弟了。

1、題主的問題問得很含糊,所以我按不同的情況給了答案。

2、關於相對坐標變化的能量,請參見相對論。

【知乎用戶的回答(5票)】:

你想想如果真按你的預設,那麼車裡的空氣豈不是要被抽空了?顯然車內的空氣是有進有出,整體氣壓略低於外界一個大氣壓的。

你能吹到風,說明你坐在車窗的中後方,你試試看坐到窗子的前方,還能不能吹到風?

車外的空氣流體速度大壓強小,在車窗前部就會把車內的空氣抽出去,然後在車窗中後部吹進來,可以理解為被車內略低的氣壓吸進來的。

【李怡通的回答(6票)】:

進來的風跟出去的風一樣多,但前者更容易被感知。

吹進來的風只有一個集中的源,就是狹窄的車窗,因此吹進來的風「硬」,車窗開得越小風越硬。

而出去的風,源頭分散在車內各處,不會特地集合成一束風來吹你,故不易察覺。

家用空調,送風和抽氣的空氣量也是相等的,但除非把手湊上抽氣口,否則只覺吹風,不覺抽風,也是一樣的道理。當年「發現空調竟然還有一個地方用來抽風」足以躋身本人的世界觀刷新事件排行榜TOP 500。

【八六的回答(4票)】:

上面的回答都很專業很詳細的樣子了 不過還是忍不住想答一個 因為很多年前在電視節目上看到過類似這個問題的解答

首先可以試下拿兩張A4紙平行拿在兩手上 然後往兩張紙的中間吹口氣(如下糙圖) 這時你會發現紙張往中間靠攏 節目是用這個原理解釋了為什麼火車快速前行的時候人不能靠鐵軌太近 否則會被氣流捲進去

就是物體在快速前進的過程中會形成一個壓強差 而空氣在有壓強差的情況下會從高處流向低處 形成吸入的感覺

憑記憶是這樣子的 不對的地方歡迎大家糾正 我想這個原理應該可以解釋車輛在前行過程中 窗外的空氣往裡流動的原因

【李希宇的回答(1票)】:

因為往外吹的風你不容易感覺。。。車上吸煙時候就可以明顯觀察到往外走的氣流。。。

【王小磊的回答(0票)】:

根據我的開車經驗,高速上開左前窗和右後窗氣流對駕駛員很舒服,開一點縫隙都很好,去過反過來駕駛員感受很輕微的風,以上兩種情況前排倆人腿部的風都很好,不是那種直吹,而是湍流。樓上幾位都講到相對速度的問題,但是忽略了風壓問題,也就是空氣的阻力,風阻力不見得是垂直車頭,有側向風。所以那個圖是有問題的,太理論化。

【江成武的回答(2票)】:

把空氣替換成水,是不是更容易理解?

【JChen的回答(0票)】:

不知道怎麼邀請我了,總之謝謝。

題主已明白在車坐標系下伯努利方程導致車內氣壓高於車外,所以有氣流向外流出(與此同時自然有氣流向內流進,乘客對風向的感覺就取決於所在的位置和個人感受了)。

不過,「如果以地為參考系結論就相反」這結論下得不對。從物理現象上來解釋,姑且這麼說:坐在車內的人才會感覺到風的流動方向;而在地面參考系下的人是無法確切地感知另一個坐標系的氣流流動的…這麼複雜,果斷應該轉換坐標系。

另,想像一個密閉空間如高速列車,並不能因為列車在地面參考系下運動而說其內部氣壓比外部氣壓低,事實上兩者的靜壓都是大氣壓,差別是車內空氣另具有整體動能。

從數學方程的角度分析,如physixfan所說,如果以地面為參考系,由於車在運動,整個流動是非定常的(BTW,非定常是指流動狀態時刻在變化,因為車的位置時刻不同),此時伯努利方程不能成立,所以在地面參考系下不能用伯努利解釋。

【LiCheng的回答(0票)】:

感謝邀請。

這個應該還是一個open question吧。

定量分析需要具體做計算流體力學的模型,選擇合適的湍流模型來模擬。 作為做實驗的可以測一下流場。我搜索了一下文獻,沒有比較好的測窗子流場的實驗。另外,大家分析的時候都考慮的是定常bernoulli's equaiton(BE), notice BE是從euler equation導出的,在剪切很大的情況下,粘性項是不能忽略的,所以在窗子shear很大的情況下,不管怎麼選擇參考系,BE不太能夠做出很好的結果。但有一點可以肯定,質量守恆,有進肯定有出,但具體車窗截面流量的測量需要一定的邊界條件,初始條件 etc. 通過NS方程各項綜合作用的結果(廢話) 只是想強調下,shear一定要考慮哦

【風信子的回答(0票)】:

不管以什麼為參考坐標系,外界大氣相對於車行使方向作相反方向的運動,所以空氣向車窗內流動

【尤悅的回答(0票)】:

外面空氣流速大,壓強小,而裡面相對壓強大,空氣被壓到外面,形成了風

【GODgrandpa的回答(0票)】:

老師上課有講過這個:車開的快的時候,即使外循環沒有打開。也會有一部分風從空調那跑進來,很小。然後從天窗被抽走。車速度快,但是空氣流通量不是很大。天窗關掉,就不會形成流通。空氣就不會跑進來了。

【馬拉轟的回答(0票)】:

伯努利定律的嚴格適用條件是不可壓縮的無粘流。如果一定要用來解釋實際現象,肯定要忽略某些次要因素,處理起來要很小心。比如伯努利定律能穿過邊界層(boundary layer)嗎?

下面的解釋只能是定性的泛泛而談。

假設車窗緊閉,不開空調,這樣車內的static pressure和車外無窮遠處空氣的static pressure相等,都是一個大氣壓,但是兩者相對於慣性參照系的速度不一樣,差了一個車速。接下來的分析必須同時考慮邊界層外的速度和伯努利定律,就是普朗特1904年的那個公式

。車側能近似成平板,但是車本身有體積,這裡的U是邊界層外的速度,不是無窮遠處的速度。伯努利定律聯繫的兩頭不是車內和車外,而是

。接下來不講了,有流體力學基礎的同學應該能想清楚為什麼車外壓力低,弄不清楚的應該重修。

在開窗前車內壓力大,車外壓力小的前提下,可以分析兩種情況:

1)車窗只開一條縫,此時對車外流場幾乎無影響。剛打開時存在這個壓力差,就像某答案提到的,如果在窗縫上點一支煙,可以看見煙氣往外跑。當然,一段時間之後,車內壓力會降低到和車外同樣大小,不進不出,不可能抽成真空的。壓力低一點點,耳朵可能會有感覺。

2)車窗搖下一大半,此時車外流場改變了,前面的條件不再適合,因為出現了邊界層分離(flow seperation),俗稱「兜風」。這時當然會有氣流向車裡吹,類似車身後的情況,你感覺到有風吹進來,一般都是這種情況了。當然,氣流肯定有進來也有出去,出去的氣流人不大感覺到啦。

不能閉著眼睛做仿真,正常行駛速度,大開車窗,流場是分離了的湍流,k-epsilon做的RANS是不能看的,要長針眼,又及。

關於定常系統,伽利略不變形和伯努利定律:定常版本的伯努利定律假設

,在伽利略變換下

是變的,所以伯努利定律需要固定慣性參照系,這裡分析用的參照系是車。如果是更廣義的非定常伯努利,還是滿足伽利略不變形的,不影響對壓力的討論,再及。

【陳思霖的回答(0票)】:

其實要是往外吹你也感受不到吧。

【汝時的回答(0票)】:

不就是流速大的地方壓強小的原理嗎。。?

【SunReggie的回答(0票)】:

果然越簡單的問題,回答越複雜~~~~

【朱Daniel的回答(0票)】:

因為。窗戶有縫.

標籤:-汽車 -物理科普 -流體力學 -計算流體力學(CFD)


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