流体力学的嘴，骗人的鬼！

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记得“天龙八部”里面有一段经典的打斗场面：鸠摩智仗着武艺高强，独闯少林寺，以一己之力迎战各位高僧，还扬言自己已经掌握了少林七十二绝技，从“无相劫指”到“袈裟伏魔功”，鸠摩智都耍的有模有样。

正当各位高（学）僧（霸）被欺负的一筹莫展的时候，虚竹小朋友及时站了出来，告诉众人，鸠摩智的少林七十二绝技只是通过“小无相功”催生出来，虽然招式看上去和少林七十二绝技很像，然而使用的却是道家的内力，而非佛家的内力。最后，在绝对实力的碾压面前，鸠摩智只好灰溜溜的跑了。

如果把流体力学的理论基础形容为佛家的内力，那么少林七十二绝技则更像是由内力催生出来的用于解决实际工程上流体力学问题的各种招式。

然而，在实际工程问题上，很多工程师更喜欢学习招式，而不喜欢学习内功心法。尽管很多时候，直接照搬各种招式也能解决问题，但是忽略了内功心法，有些招式就难以发挥最大的效果，有时甚至会出现走火入魔的问题。

流体力学玄妙的启蒙——高尔夫球

提起流体力学的妙用，相信各位小伙伴一定不会忘记高尔夫球。还记得大学流体力学的第一课，老师就提到了流体力学在高尔夫球上的奇妙应用，故事是这样开始的：

在很久很久以前，高尔夫球的表面其实非常光滑，但是高尔夫球手们注意到，那些被打满裂口、突起和凹坑的旧球似乎飞得更远。作为高尔夫球手，他们自然而然地倾向于任何能让自己在高尔夫球场上占据优势的事物。因此，老旧破损的高尔夫球便成为了他们的标配。然而，为什么破旧的高尔夫球反而比光滑的高尔夫球飞得更远呢？

这个时候，流体力学的专家要现身说法：破旧的高尔夫球之所以能飞得更远，根源在于其表面的凹坑使得流动在壁面附近的层流边界层发生了转捩，而转捩后的湍流边界层内部和主流区有更强烈的动量交换，大大增强了边界层的抗分离效果，从而使分离点延后，降低了能量损失并减小了前后的压差。于是带有凹坑的高尔夫球相比于光滑的高尔夫球在空中飞行时的气动阻力要小，所以它就能飞得更远。

哇，流体力学，真香！

于是，就有人开始一边感慨流体力学真香，一边想着怎么把高尔夫球上的凹坑应用到空气动力学的优化上面。下图为某车型的底护板，可见与绝大部分平底板不同，其上面布满类似于高尔夫球坑之类的结构。有人将其与高尔夫球减阻类比，认为它也有一定的降低风阻的效果。

然而实际上，这样的凹坑在汽车的底护板上对于降低风阻是毫无用处的：由于车底的混乱流动，无论是否有球坑，底护板附近均为完全发展的湍流状态，自然没有边界层转捩的现象和增强抗分离的效果，减阻也无从谈起，反而由于其表面摩擦力的增加，会小幅的增加风阻。此类型的底护板带来的更多是结构力学的优化，而非流动的改善。

哼，流体力学的嘴，骗人的鬼！

别生气别生气嘛，平时还是要多练练内功心法哦，要不就被这些表象给骗了。

既然凹坑不好，难道越光滑越好？

说到光滑的车身设计，老款奥迪A6当仁不让。看看下面这幅图就知道了，2000年版的奥迪A6简直是把圆滑做到了极致。可是反观新款的奥迪A6，整个车尾的设计一改往日的圆滑，变得霸气外露而又棱角分明。难道奥迪是想要告诉我们：做人不能太圆滑，要有个性，有棱角，不要同流合污吗？

错，流体力学的专家会告诉你，车身尾部的凸起和棱角有助于改善整车的风阻性能。以下图两种尾灯的方案对比为例，许多人的解释是这样的：右侧尾灯上面的凸起形成了强制分离条，避免流动向内侧偏移所形成的贴体流动而产生的更低压降，从而降低风阻。

这个时候，细心的小伙伴可能会质疑一个问题：如果是光滑的弧面，对于流体来说，似乎是一个扩张流动啊，根据伯努利原理不应该是减速加压吗？不过CFD的结果又告诉我们，下图左侧光滑尾灯附近的局部压力确实低于右侧带凸条的尾灯，该如何解释呢？

伯努利原理当然没有问题。不过这里尾灯虽小，但门道不少：尾灯附近只能进行短暂的贴体流动，一旦发生明显分离，总压（机械能）必定会有损失，伯努利原理就不再适用了。这里的解释需要先请伯努利回到嘉宾位置，请另一个大佬科恩达上台。

如下图尾灯附近的流动，虽然主流区仍符合减速扩压的伯努利特质，但尾灯的圆弧壁面附近沿法向的压力则是低于主流区域的。这里的解读需要更正统的内功心法——科恩达效应。

正统的内功心法——科恩达效应

气流的科恩达效应主要来自于粘性，即空气内部的摩擦力。如下图的射流所示，由于粘性的作用，主流区的射流会带走壁面附近的部分空气，原来的地方得不到足够的空气补充，当地的压强就会降低，气流则由于两侧的压力不均衡而被压向壁面。因此气体才会绕着圆弧壁面流动，即出现了上述尾灯附近的压力降低现象。

或者也可以这样解释，被射流带走的空气更多地靠射流自身来补充了。当壁面向外弯曲时，假设一开始气流是水平的，那么气流和壁面之间会暂时存在一个不流动的“死水区”。流动的空气不断地带走死水区的空气，射流则逐步向壁面靠拢，最后射流两侧的压差产生的向心力正好符合射流转弯程度时，流动就达到平衡，射流就沿着弯曲的壁面流动了。

有了上述的内功心法，加上如此犀利的招式，大家都放心大胆的操练了起来。比如近年来新发布的汽车，无论是高端的跑车，还是经济型的买菜车，大部分都开始把尾部做的更锐利，以期达到降低风阻的目的。

可惜，流体力学的嘴是个骗人的鬼。

九阴真经上下册的奥妙

即使是科恩达效应，也仅仅是从平均流动的角度解释了这种尾部绕流产生的缘由，不足以完全涵盖实际流动的复杂性。就好比练了半部“九阴真经”的梅超风最后走火入魔了一般。

那么，我们就来看看另外半部“九阴真经”是如何从瞬态流动的角度解读汽车尾部流场的，事实上车尾两侧边缘的流动通常会有很大的非定常性，圆弧区域流动的贴合和分离的位置也不是固定不变的。

下图为两个不同时刻车尾的二维流动示意以及整车风阻随时间的变化。可见随着车尾流动的摆动，其风阻系数呈现一定的周期性波动。最小的风阻对应了最低损失的整车尾流，而尾流的损失大小很难通过流场的直观判断得出——除非通过实验或计算来量化整车的风阻，否则难以预判改型优化的方向。

如果我们能够把强制分离的凸条加在恰当的位置，则可通过维持低损失的车尾分离状态，降低时均风阻。当然实车要更加复杂，而且尾灯附近的流动与D柱和后保均有关联，需要通过多次尝试才能获得最小的风阻。

最简单的优化招式也会走火入魔？

熟悉汽车风阻优化的朋友都知道下面这两招：

  · “车头下压，减少其流动滞止，降低车头所受的正压力”；

  · “车头两侧做的饱满一些，局部流动加速减压，减小车头的迎风压力”。

这么百试不爽的招式难道也会有幺蛾子吗？我们详细分解一下：光滑的车头附近一般少有明显的流动分离，即总压损失很小，我们可在不同的部位应用伯努利原理。比如车头下压，车头受力是减小了，可发罩的倾角更大，受前方来流冲击的面积增加——因此气流高压区域并不是消失了，而是转移了，型面的变化影响的只是动压和静压在不同区域的此消彼长。车头两侧的改型也是同样的道理。

因此上述的两招，如果仅仅根据车头这个独立区域的表面压力变化来判断改型的效果，并不科学，以至于有时候弄巧成拙。事实上应该考虑车头和其它部位的相互作用，并从损失的角度来解释。如果车头的改型引起了车头和其附件部件的流动损失变化——这部分能量来源于车辆，因此车辆对流体的作用力才会变化，其受风阻当然也会改变。

比如车头下压，一方面减小了发罩和前风挡之间的夹角，减弱了落水槽附近的涡流，另一方面诱导更多的气体从车辆上方流过，减少了紊乱的底盘流动，从而使总的流动损失减小。对于许多越野车来说，前风挡比较直立，底盘也很高，那么这两方面的损失都可通过下压车头得到一定的补偿。而对于常规的轿车，下压车头则难有效果。

而车头两侧的流动对前轮有较大影响。更饱满的车头侧部诱导气流更贴向车体，压缩前轮尾流，进而降低损失。因此，如果车头两侧外凸能更好的引导流动贴合前轮边缘，则对风阻是有利的；而如果原设计已经很好的引导气流，那么继续外凸也不会有什么收益。

车头的改型不仅和上述的周围部件有很强的相互作用，也必将影响后面的流动，尤其是整车尾流。即便上述的改型局部有效，如果使整车尾流变得更差，也可能会得不偿失。

小  结

流体力学千变万化，如果想用某一个不变的理论和招式解决全部的工程问题，往往就会陷入某些困局之中。记得N年之前笔者有幸旁听某位汽车风阻优化大师教诲徒弟：“气流是很玄妙的，无法用浅显的语言去解释，你得用心去体会，去感受气流的流动”，说完后还用手比划了一个气流围绕车身流动的手势（大家自行脑补）。这么多年过去了，不知道当年那位徒弟是否已经弃坑，或者已经看透了“流体力学的嘴，骗人的鬼。”

来源：LBM与流体力学微信公众号（ID：LBMCFD），作者：卢比与钢蛋。