流体阻力的组成与物理机制：流线型真的是最好的吗

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。

流动分离

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。

摩擦阻力

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。

总结

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。