（十）越阻拦越加速

Spitwater​ 北京航空航天大学 航空宇航推进理论与工程博士在读18 人赞同了该文章

本篇讨论的是一个很基础的流动现象，即流体绕过物体流动时，在其侧面速度会比来流大很多，这种加速作用是很多流动现象的基础。实际的流动中，在流场中产生大面积的低压区要比产生大面积的高压区容易得多。比如机翼产生升力的时候，并不是在机翼下方产生高压，而是在机翼上方产生低压。

1. 阻拦引起的加速

流体的运动有一个看似违背常识的特点，就是当受到阻碍时，会产生大面积的比来流速度还大的区域。

一个质点或者一个固体的运动不会发生这个现象，一个小球击打在壁面上，无论朝哪个方向反弹，如果是完全弹性碰撞，则反弹回来的速度与入射速度相同，如果不是完全弹性碰撞，则反弹速度就会小于入射速度，绝不会产生反弹的速度大于入射速度的现象。

但流体不一样，当受到阻碍时，在物体的正前方流体的速度会降低到零，压力会相应地升高。然后在压差力的作用下流体沿着物体表面加速，从物体两侧绕过。在两侧，流体的速度会超过来流速度，也就是说，阻碍的存在使流体的速度比原来还大了。

收缩管道的流动也可以看成是阻拦引起的加速流动。收缩部分的管道内壁是面向来流的，按理来说只会使来流减速，然而流动实际上会加速。

2. 气体加速的原理

用流量连续定理可以解释为什么有阻碍时流体会加速。因为流通面积变小了，流体需要以更快的速度通过，才能保证和上游流通能力相同。一群人通过一个通道时就是这样，每个人经过狭窄处时都要加快脚步，才能不阻碍后面的人。

但人是有意识的，会主动加速，难道流体也有自己的意识吗？

流体虽然没有自主的意识，却拥有自主的能量，这就是压力势能。以气体为例，气体永远都是受压缩的状态，只要有机会，就会在自身压力的作用下膨胀加速。这种靠自身压力自由膨胀的最终速度是分子的热运动速度，与音速相当。

对于绕圆柱的流动来说，流体在圆柱正面被压缩增压，之后如果再膨胀到来流的压力，速度就会恢复到来流的速度。但实际上由于科恩达效应和离心力的作用，圆柱侧面的压力比来流的压力低很多，所以流体会加速到比来流速度还大。

也就是说，来流的流体除了速度所携带的动能之外，自身还储备有随时可以释放的压力势能。这和小球撞击壁面的例子是不一样的。

小球撞击壁面的例子中，小球撞击前的全部机械能只有动能，撞击过程的前一半时间动能转化为弹性势能，球被压扁；后一半时间弹性势能再转化成动能，球从扁变圆，最终离开壁面时，能量又完全表现为动能，速度也达到和入射速度一样。

而流体在撞击障碍物之前除了动能之外，还具有压力势能，当绕过物体的时候，只要下游存在压力低于来流压力的情况，一部分压力势能就会释放出来，使其最终的动能比来流的动能还大。

任何有体积的物体放在气流中，气流在接近并绕过的时候，流线都会形成先向外转折再向内转折的形式。向外转折的时候，气流的压力会增大，向内转折的时候，气流的压力会减小。这里的“外”和“内”，指的是相对于物体来说的。这种压力的增大和减小都可以用离心力来解释。

在流体力学中，有内凹壁和外凸壁的说法，气流沿内凹壁流动时，压力增大，沿外凸壁流动时，压力减小。这时的“内”和“外”是相对气流来说的，和上一段的内外定义相反。

也可以不用离心力解释，而用气流受压缩还是释放作用来解释。

当气流沿内凹壁流动时，壁面对气流有阻碍作用，所以气流压力增大，当气流绕外凸壁流动时，由于壁面的“让开”，气流得以更自由地膨胀，所以压力会减小。

（且慢，这样说来收缩通道会使气流减速，扩张通道会使气流加速，和实际的亚音速流动也不符合呀！这个问题也很迷惑人，以后我们再讨论。）

3. 总结

1、当有物体阻碍流动时，障碍物正面的流体会减速，而侧面的流速会比来流的速度还大。

2、流动之所以会加速到比来流速度还大，是因为流体自身具有压力势能，只要有机会就膨胀加速。外凸壁属于壁面的让开，让流体有膨胀的机会。

3、膨胀是自发作用，压缩是受迫作用，气流生来爱加速而不爱减速。

后记

写这篇文章时，我突然想到一个问题，如果是在真空且无重力的环境中，让液体绕圆柱流动。由于来流的液体自身不再有压力，圆柱侧面液体的速度就不会比来流速度更快了，那么流动图画应该是什么样呢？

原作：王洪伟