妖妖怀疑俺吹牛,要俺说说“飞机翼产生升力的理论”,以证明是流体力学专家。行,俺就说说吧。
空气,水,油,很烂的泥,它们都叫流体。流体分两类:像空气这样的,加压力后体积会明显变小,叫可压缩流体,对应的流体力学,叫空气动力学。像水这样的,加压力后体积不明显变小,叫不可压缩流体,对应的流体力学叫水动力学。俺的专长是水动力学,工作涉及海军舰艇,潜射武器(导弹,鱼雷),船舶工程,海洋工程,港口工程,水利工程,桥梁工程等众多专业领域。因涉及军工,俺的工作会归为敏感的国家机密。
“飞机翼产生升力的理论”,属空气动力学,不是俺的专长。但作为流体力学专家,当然也是懂的。俺先解释一下啥叫升力。升力的直观解释就是把飞机抬起来的力。而它的严格定义是:当流体流向物体时,会在物体上产生一个力。这个力在流体流速垂直方向的分量叫升力,在流体流速同方向的分量叫阻力。飞机机翼的一般设计目标是:在飞机巡航速度时,升力最大,阻力最小。
风吹过来,在风的方向上有一个力,也就是阻力,大家都习以为常。风的阻力把树吹倒,早已见怪不怪了。但风吹过来,在风垂直方向上有一个力,也就是升力,大家就见的不多了。为何会有升力?中学老师是这样说的:飞机翅膀上面是曲面,距离长。飞机翅膀下面是平面,距离短。空气流过翅膀,上下空气要一起会合,上面空气就必须走的更快。而走的快的空气压力会更小,所以飞机翅膀上面下面的压力就不一样了,有了压力差,这个压力差就产生了升力。
中学老师的说法是对的,但非常肤浅。为啥肤浅?因为只有定性,没有定量。“上面空气就必须走的更快”,那到底快了多少?快了这么多,又会产生多大的压力差?中学老师都答不上来。“到底快了多少”,在流体力学里是用流体“旋度”来定量的,也就是流体流速围绕机翼的积分。“会产生多大的压力差”,在流体力学里,首先要解流体动力方程,求出流体围绕机翼的流速。然后用伯努利方程求出正压力,用边界层公式算出剪切力。最后围绕机翼进行积分。
解流体动力方程是最难的。流体动力方程是一组高阶非线性偏微分方程。阶数高,难!非线性,有多解,也难!偏微分,包含了时间域和空间域,更难!还有初始条件和边界条件的确定,也很复杂。
我们知道,微分方程的解都有任意常数。比如,最简单的微分方程dy/dx=1,它的解是y=x+c,这里c是任意常数。任意常数,在流体力学里要通过初始条件和边界条件来确定。也就是说,飞机翅膀的升力,和起飞时的状态(初始条件)有关,和哪个机场起飞(边界条件)有关。不过,初始条件和边界条件的影响,会随时间和空间变大而变小。当飞机起飞很久,离机场很远了,起飞时的状态和哪个机场起飞,就不重要了。