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流体阻力的组成与物理机制:流线型真的是最好的吗

科学探索万象经验2023-05-08

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。

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。