25, 6月 2022
流体阻力的组成与物理机制:流线型真的是最好的吗

当流体流过一个物体或物体穿过静止的流体时,流体会对该物体施加一个力。我们可以将该力分解成两个部分:一个与流体运动方向平行的阻力,另一个垂直于流体运动方向的升力。一般来说,阻力是不受欢迎的,它们会对设备的燃油消耗和性能产生很大的影响。因此,工程师们竭尽全力将其最小化。

阻力是作用在物体表面的两种不同类型的应力引起的。首先是壁面剪应力,这些应力与物体表面相切,是由流体粘性产生的摩擦力引起的。其次是压力应力,它们垂直于物体表面,是由物体周围的压力分布引起的。阻力是流动方向上两个应力的结果,因此如果我们确切地知道应力是如何分布在物体表面上的,我们就可以对其进行积分以获得总阻力。

由剪应力引起的阻力分量称为摩擦阻力,由压力应力引起的阻力分量称为压差阻力或形状阻力。对于像球体这样的钝体,压差阻力最为显著,它本质上是由球体前后的压力差形成的。当发生流动分离时,即流体边界层与主体分离形成再循环流尾迹,在物体后面产生低压分离区,压差阻力就会显著增大。流动分离还会导致涡流脱落,从而产生不必要的振动。

为了理解为什么会发生流动分离,让我们看看球体表面的流动情况。当流体通过球体表面时,它最初是加速的,因此压力沿着流动的方向递减,这称为顺压梯度。但是当超过某个点时,流动就开始减速,所以流动方向上压力又开始增加,这种压力的增加称为逆压梯度,它对靠近壁面的流动有显著的影响。如果压力增加足够大,那么流体将会反向流动。由于主体部分无法反向,它会从边界层开始分离,造成流动分离。

对于层流中的光滑球体,流动分离发生在80度左右的地方。如果边界层是湍流而不是层流,则它能够更好地附着在表面上,并且流动分离能被延迟到120度的地方,从而显著降低了压差阻力。这是因为湍流在不同的流动层之间混合,这种动量传递意味着流体可以维持较大的逆压梯度而不分离。

这就是高尔夫球有凹坑的原因,凹坑会产生湍流,从而延缓流动分离,减少阻力并使球飞得更远。这种使用湍流来延缓流动分离并减小压差阻力的想法,也是一些飞机机翼安装小型涡流发生器的原因。在流体中移动的物体,如普通机翼或潜艇,通常被设计成泪滴状的流线型,以最大限度地减少流动分离的影响。对于一个非常流线型的翼型来说,在一个比较小的攻角之下,压差阻力是比较小的,因为流动分离明显延迟或根本不发生。

对于像这样的物体,壁面剪应力对总阻力的贡献最大,由这些应力引起的阻力分量称为摩擦阻力。摩擦阻力随流体的黏度增加而增加,并且对于具有与流动方向一致的大表面积的物体最为显著。

我们之前看到湍流延迟了流动分离,从而降低了压差阻力,但对于摩擦阻力,却有相反的效果。层流边界层和湍流边界层有非常不同的速度分布,壁面上的速度梯度在湍流边界层中比在层流边界层中更陡,因此湍流会产生更大的剪应力。因此,为了减少摩擦阻力,我们需要推迟向湍流过渡的时间,并在物体周围尽可能大的距离内保持层流。

工程师们经常从大自然中寻找灵感,鲨鱼因其独特的皮肤微观结构而受到特别关注。鲨鱼皮肤包含与流动方向对齐的微观脊,这些脊改变了近壁面湍流边界层,具有减小摩擦阻力的作用。研究表明,用类似微结构的人造鲨鱼皮对商用客机进行涂覆,可以将其总阻力降低2%,从而为航空业节省大量燃料。

我们已经看到,压差阻力和摩擦阻力的大小取决于物体相对流动方向的几何形状,摩擦阻力会随着压差阻力的减少而增加。所以当流线型化一个物体时,为了减少总阻力,需要在这两个方面小心平衡,总阻力最小的形状不一定是最流线型的形状。

前面提到,我们可以压力应力和剪应力积分来得到总阻力。但问题是在绝大多数情况下,要知道这些应力的详细分布是不可能的,所以我们通常用阻力方程来表示总阻力。CD项是流体的阻力系数,我们可以通过风洞实验或运行数值模拟来确定阻力系数的曲线。

我们知道压力应力和剪应力是阻力的两个基本原因。在某些情况下,阻力的具体组成部分是根据它们的产生方式来命名的,即使它们只是不同形式的压差阻力或摩擦阻力。例如,在航空领域,三个重要的阻力是诱导阻力、波阻力和干扰阻力。

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