汽车工程应用力学：揭示压差阻力机制

流动的空气具有粘性是被绕流物体前后产生压力差的根本原因。为了弄清压差阻力的产生机理，我们通过无粘性气流（理想气流）与有粘性气流分别流经二元圆柱的状态来对比分析。

1.无粘性气流流经二元圆柱的压差阻力

在气体中运动物体表面的静压强通常用压力系数C_p来表示，即

式中 P——当地压强；

P₀、u₀——来流压强、速度。

由伯努利方程可得

将式（5-31）代入式（5-30），经整理得

式（5-32）是鉴别当地压强大小的标准，这对我们判别当地压强很有帮助。当来流速度一定时，当地的流速越大，相应的静压强就越小；反之亦然；当当地流速与来流流速相等时，当地压强等于1。

无粘性气流绕过二元圆柱的流场如图5-23所示。

图5-23 无粘性气流绕过二元圆柱的流场(www.xing528.com)

当来流流至O点时，因受阻而向上、下表面绕流，当地（O点处）速度u=0，0点称为驻点。由式（5-32）可知，当地的压力系数C_p=1，静压强最大。

当来流从O点流至A点时，类似于在逐步收缩的管道中流动（犹如洗车的水喷头），流速由零递增至最大值，而静压强随之递减（根据伯努利定理）。压力系数C_p由1降至负压最大值，这一流程具有顺压梯度。当来流由A点流至B点时，类似于在逐步扩张的管道中流动，流速由最大值递减至零，C_p由负压最大值递增至1，这段流程具有逆压梯度＞0，压力变化率为正值，即静压强沿程递增）。

绕二元圆柱的流线和圆柱表面的压强分布呈左、右对称，说明二元圆柱前、后不存在压力差，因此也就不存在压差阻力。这个结论显然与实际情况不符，究其原因是忽略了空气的粘度。

2.有粘性气流流经二元圆柱的压差阻力与附面层分离现象

当考虑气体有粘性时，由于空气粘性的作用，气流在与物体表面接触时必然产生摩擦，气流的动能也必然受到损失，其结果导致气流速度降低，当地静压强也随之升高。来流绕过同样的二元圆柱时的情形与无粘性的图5-23相比较，流线和压强不再呈左、右对称分布，如图5-24所示。

图5-24 粘性气流绕过二元圆柱的流场（注：箭头向里表示正压，箭头向外表示负压。）

当来流流至O点时，同样被阻滞，当地速度u=0，C_p=1。

当来流由O点流至A点，过流断面呈收缩状态，速度沿程递增，静压强沿程递减，沿柱面具有顺压梯度。虽然气流粘性会阻滞气流流动，但在顺压梯度作用的推动下，使附面层内的气流克服了粘性阻力得以维持向前流动。但在粘性和顺压梯度的共同作用下，使最大流速提前发生，亦即负压最大值出现在A点之前。

当来流越过A点以后，过流断面扩大，气流进入减速增压区，情况就不同了。这时，不仅逆压梯度阻滞着气流前进，而且还受到气体粘性力的阻滞，越是靠近柱面的气体，其受到的摩擦阻力越大，在贴近柱面的流速迅速趋于零。S点以后的气体在与主流速度方相反的压差作用下，将产生反向回流，可是这些回流又被正在前进的外部主流所带动，这样一回一带的接触便形成了旋涡。旋涡的生成势必将附面层与壁面隔开，这种现象称为附面层分离现象，也称气流分离现象，而分离之处S点则称为分离点。被分离出去的气体流层不再具有附面层性质。

气流分离一旦产生便会迅速扩散，从而在分离点的下游形成尾流区（湍流区）。湍流运动意味着动压强的增加，它以降低静压强为代价，使得圆柱后部表面的压强低于来流压强（表现为负压），而圆柱的迎流面的压强大于来流压强（表现为正压），这样，二元圆柱前、后便产生了压力差，从而产生压差阻力。这就是压差阻力的产生机理。

压差阻力又称为形状阻力，这是因为它的大小直接取决于物体的形状。

由上述分析可知，附面层分离现象只能发生在过流断面逐渐扩大而静压强沿程递增的区域内，即速减压增的区域内。