如果空氣沒有粘性,飛機是否還能飛行?

曾嘗試從升力方面理解,可是發現升力到底是怎麼產生的都搞不明白,似乎用伯努利方程解釋是不正確的?


升力本身就是一種粘性現象。所謂的環量、渦量,歸根結底還是來源於粘性。

這個觀點可能顛覆了你們空氣動力學課學習的知識。別著急噴我,看完了再噴也來得及,反正我也不會刪除這個答案。

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以下為簡單起見,不再區分「漩渦」「渦量」「環量」。

用無粘理論解釋機翼的升力是一種很粗糙的近似。在機翼上疊加一個漩渦,那麼現在問題來了:漩渦從何而來?

如果你的流體力學基礎夠紮實,你一定記得一個重要的結論:真正沒有粘性的流體是不可能憑空產生漩渦的,漩渦的產生只可能來自於流體的粘性。(嚴格來說,壓縮性也會產生漩渦,但目前的討論局限在低速流動,忽略壓縮性)

參見上圖,空氣動力學上一般的解釋是,由於機翼後緣是尖的,為滿足流體速度連續,必須產生漩渦,即所謂「庫塔條件」。問題在於,對於真正的無粘流體而言,後緣處的奇點根本是無解的,因為邊界條件在這裡不可能滿足。上下翼面的法向在後緣點不連續,無粘流動的不可穿透邊界條件就會導致同一點出現了兩個方向的速度。而在物理上,這是絕不可能的。(否則流體到了這一點相當於碰到了兩個方向的指路牌,到底應該往哪裡走?)如果不信的話,你拿一個三階以上精度的CFD求解器來算這個問題,就會發現很可能根本不收斂。

所以,真正的物理是:由於粘性的存在,後緣處來自上下表面的流體產生了強烈的剪切,從而形成漩渦。這一漩渦才是真正的升力來源。

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你們肯定會問的問題:那馬格努森效應是怎麼回事?

抱歉,馬格努森效應就更是粘性的結果了,因為按照無粘流的假設,一個在旋轉的球根本不會帶動周圍的流體一起運動,無粘流體會完全無視球的旋轉。

如果你要用勢流理論來反駁我的話,那麼請回去看書,勢流理論的假設是「只考慮了點渦以外區域的速度場」,實際上回到點渦處仍然是個奇點,仍然會導致無粘解的失效。

最後假裝自己是一個有內涵的人,來一段總結:

產生升力肯定是要付出代價的。按照無粘假設,可以只產生升力而不產生阻力,天底下哪有那麼好的事?


今天路過這個問題,突然想到兩點:

1、從分子動理論的角度看,空氣粘性本質上是氣體粒子碰撞交換動量導致的。若假設空氣無粘,微觀上應該構造怎樣的假設?

2、先不考慮動力,火箭和乘波體飛行器之類的貌似還可以飛啊?


首先,「科學」地去解釋升力產生的機理意義不大。升力,更多的在於計算結果是否準確,越準確的方法就越有意義

無粘流動體系下,可不可以去計算升力?

答案是肯定的,可以。但是以勢流理論為例,在計算過程中,我們人為地加入了點渦,點源等概念,實質上在流場中創造了奇異點,使得無粘流動中可以產生環量。事實證明,這種計算方式非常好

但這種處理方式本身就說明了,嚴格的無粘流動,如果沒有奇異點,是不能產生升力的。而流場是連續的,奇異點的存在,本身就是非物理的。所以,無粘流動產生升力這種說法,不自洽

從數學上講,沒有黏性的情況下,流場不會產生環量,場內也不能添加奇異點,那麼對任何一個物體的表面做Joukowsky變換,得到的一定是對稱的繞流,也就不會有升力了

—————————————流體的東西還是匿名好————————————————————

突然發現一個問題,自己把自己打臉了。即使是對稱的擾流,同樣是需要在流場中加入 奇異點 的。在無粘條件下,流場繞流的前提條件就是有 奇異點。所以真實的情況應該是,理想的無粘流動就無法對固體進行繞流。當然這進一步說明,嚴格的無粘流動是不產生升力的


無粘性就沒有邊界層就沒有升力了


伯努利定律解釋有它的適用範圍(無粘不可壓的理想氣體),按照該理論氣體無粘性會有升力。但實際中如果用伯努利定律定性分析偏差會很大,想要數學解釋就得詳細了解一下茹科夫斯基的環量理論,如果想從物理角度了解的話,倒是可以從牛頓力學的角度來看:氣流經過機翼,因為機翼的攻角和翼型使得氣流原本是水平方向來流,變成了機翼後面的下洗流,氣流在豎直方向上有了動量的變化,這個動量變化反過來就是作用於機翼上的升力。至於為什麼會有下洗流,在評論里有位朋友做了執著的分析。在此我簡單表述一下我的觀點:氣流經過上翼面,有分離的趨勢,但是由於物質世界排斥真空,故而氣流在上翼面會降低氣壓,並使相鄰的上層氣流彎曲。氣壓的降低以音速傳播,導致大量空氣在機翼周圍彎曲。從而在機翼後緣產生下洗。最後無粘氣體可能還會有阻力(不太確定),沒有摩擦阻力,壓差阻力應該有吧。


馮元禎先生的連續介質力學書里有這道題。如果空氣沒有粘性,鳥還能不能飛,飛機還能不能飛。答案好像是一個能一個不能


剛剛複試完「空氣動力學」,先佔個坑,等我這些天忙過去再來回答。


Anderson 的 Fundamentals of aerodynamics 的前8章都是講的無粘流動啊。有升力妥妥的啊。

我們就限制於無粘假設討論問題吧。看看沒有粘性會不會有升力。踢掉了粘性,升力當然是通過壓力差產生的。阻力也是。但是,二維的無粘流動沒有阻力。

再往下分析,就不太好說誰是由於誰產生的。很多特徵只是同時存在而已,誰是因誰是果難以界定,我們稱為X伴隨Y出現。

壓力差的存在必須伴隨著速度差,均勻速度場是不可能存在壓差的對吧。而速度差的存在就為環量的存在創造了條件。定性的推理就是這樣。加上不可壓縮假設,定量的推理就能得出茹科夫斯基定理:翼型地升力與繞翼型地速度環量成正比。至此沒有粘性的任何貢獻。

一般的升力來源可以這麼理解,正環量使翼型上方流動加速,下表面流動減速;根據伯努力方程,這會導致壓力差的存在,進而產生升力。

伯努力方程的條件比較苛刻,無粘無旋不可壓縮,因此濫用容易出錯。 而且,最流行的那種對升力來源的錯誤解釋的問題並不在於使用了伯努力方程,而是對速度差來源的分析。因此說「似乎用伯努利方程解釋是不正確」太籠統了。

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@Jacobi LIU 的評論提到了 環量守恆 和 後緣速度間斷的問題, 這樣問題就被拖的更深了。評論區的內容我就不在這裡總結了。 但是考慮完@Jacobi LIU的問題之後,我發現我可能曲解了題主的意圖。 我們平時用無粘理論考慮問題,考慮的其實時有粘流場的一部分,我們把邊界層排除,只考慮外邊速度梯度很小的部分,抽象出了無粘理論。對於已經建立好的這樣的繞流流場而言,升力的維持是不需要粘性效應的。

如果考慮一個靜止的物體,在無粘世界的運動的話,會有很多匪夷所思的問題。首先是不能定解的問題,就像在評論區分析的那樣。而且流場還有奇點,像前後駐點。這些點是不能用流場其他部分服從的方程描述的。 因此,無粘流場是不完備的。非要在裡邊糾結很多具體問題的話,恐怕會有點走火入魔的感覺。

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2014.12.31

應用無粘概念可以分析有升力的流場,但無粘流動只是一種分析方法,是一種思維方式,而不是物理存在。當用某一種概念或理論分析問題的時候,一定要注意「前提」,濫用概念會產生很多疑問和悖論,這看起來像是積極思考,但實際上這完全沒有意義。

@Jacobi LIU 的評論已經非常透徹:

機翼啟動初期,尾部邊界層脫落產生速度環量,此後邊界層不再脫落,升力由速度環量提供,問題可以 抽象成無粘模型

對正在啟動的、非定常的、存在強剪切的流場,和穩定的、定常的、平滑的流場一概而論並不是一種明智的做法。所以不要討論無粘的流場是怎樣啟動的,也不要想空氣無粘的話飛機能不能起飛!!! 這就像是用經典力學分析接近光速的問題,用經典電動力學分析原子的核外電子,這不是有意義的思考,更不是創新思維的體現。

我沒有興趣在各個細節論證「在完全無粘假設的條件下飛機能否飛行」這一問題。我只是自以為是地分析一下產生這一疑問可能涉及的思維誤區,因為類似的問題曾經浪費了我一些時間,我只是試圖避免其他人也在同樣的問題上浪費時間而已。

恕我關評論了。


各位大神用了各種定理來分析,有些能看懂有些看不懂。

有一些自己的想法,直接上定理…我想大部分方程定理假設都不滿足吧…

要弄清楚這個問題至少要弄清粘性是什麼,氣體內部粘性主要來自於不同速度層之間的動量交換,要想忽略粘性除非流場定常且各向均勻,流道變化還沒有粘性?除非氣體分子沒有熱運動…因此氣體內部粘性不可忽略更不可能不存在。但這是理論上分析,實際氣體內部粘性在分析層流這樣簡單流動時對結果影響較小所以計算中有時忽略。湍流就不行了,非線性微分方程…

再看壁面處的粘性,牛頓把此處的粘性轉化為一個壁面速度為0的模型,這樣假設的好處是速度是連續的,方程是有邊界條件的。但如果你認為沒有這種摩擦,那麼這個假設就是錯的。沒有連續性假設,用分子動力學建模,考慮壁面為彈性碰撞…當然你想知道性質不用這麼麻煩,直接給幾何體加上一個附面層厚度,其外就是無粘的。

總結,為什麼有回答說粘性是xx的來源,因為沒有粘性與流場不均勻自相矛盾。但不能把系統方程用於微觀定性分析,正如你不能把熱力學第二定律用於微觀粒子運動分析。

如果氣體與壁面沒有摩擦,依然可以產生升力。


粘性源於分子熱運動和分子間相互作用力,沒有粘性的流體很難想像是什麼樣的,因為energy cascade 過程不存在了。


為啥伯努力不正確?


可以參考下這個問題,雖然我也看不懂。。。

http://physics.stackexchange.com/questions/46131/does-a-wing-in-a-potential-flow-have-lift


如果沒有黏性,至少現在的機翼設計的升力就會大打折扣,但是氣體與一定迎角的機翼碰撞也能產生向上的分力,飛機同樣可以飛,只是壓差阻力增大,對發動機動力的要求提高


大家說得好,

當然了,無粘性的流體在機翼上表面的曲面流動,不會產生「漩渦(vortex)」,就不會產生「離心力」,也就不會有「升力」了,

不過,無粘性的流體,也可以通過壓縮性形成「漩渦(vortex)」,其也有一個旋轉的「渦核」,是「角動量守恆」的結果


沒有粘性只有絕對零度才能做到,還飛飛機?


問:如果空氣沒有粘性,飛機是否還能飛行?

答:當然可以。事實上,通常對低速飛行的氣動研究都把空氣當作理想流體來討論。理想流體就是指的不可壓縮、不計粘性(粘度為零)的流體。空氣的粘性對飛機的升力影響其實並不大。

想像完全沒有粘性的氣體:均勻分布的靜止不動的剛性小球(氣體分子),機翼以一定速度相對這些氣體分子運動,由於迎角的存在,下翼面會撞上更多的小球,由於牛頓第三定律,機翼受到等大反向的力的作用,自然就產生升力。

又問:如果空氣沒有粘性,飛機是否還有飛行阻力?

答:不好意思,仍然有阻力。飛機飛行的阻力分為誘導阻力(升致阻力)和廢阻力。誘導阻力是機翼受到的力在飛機前進方向上的反向分力,有升力就會有誘導阻力,不可避免。如果機翼簡化為一條線段的話(沒有垂直迎風面)廢阻力是不存在的。

以上。 @朱輝博士


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首先表明答案,產生升力的根本原因是機翼上下表面的壓強差,而壓強差和粘性並沒有關係。

具體分析如下,把飛機機翼簡化成一張以恆定速度向前飛行的白紙,假設流體可壓縮沒有粘性,由於上下壓力差,形成一個力Fp,這個力的垂直分量形成升力,向後的水平分量產生阻力。具體如下圖,大家可以自行拿張白紙思考一下。

其次,完全無粘流體在現實中是不存在的,所有基於無粘的理論只是為了方便分析問題的一種假設,而且只是忽略粘性結合有粘性的現象得到的結論,所以要重新考量能不能用來解釋並不存在的完全無粘性的結果。這個問題也無法實驗驗證,只能理論推理,要是結合現有的理論深究起來會有很多悖論。

最和空氣粘性相關的是阻力,具體來說是摩擦阻力,飛機阻力的一個組成部分。

飛機阻力由三部分組成:

1. 摩擦阻力,由粘性產生,可以說沒有粘性就沒有摩擦阻力,摩擦阻力只是阻力的一小部分。

2. 壓差阻力,與飛機的形狀大小等有關。

3. 誘導阻力,和飛機的升力有關,產生升力時飛機下翼面壓強比上翼面高,下翼面氣流會在機翼後緣向上繞形成渦。

@朱輝

另外庫塔條件本身是基於粘性提出的,與粘性相關的理論都不能用來解釋這個問題,我們在粘性世界觀察到的現象也要重新思考沒有粘性還會不會成立。如果沒有粘性,我們的世界將會被徹底顛覆。


想的蛋疼

可以, 阻力分粘性阻力與形狀阻力,粘性阻力即使不存在,難道形狀阻力也不存在嗎?存在因果關係嗎?

升力與阻力無關,方向垂直於阻力,升力本質來自於翼型上下面的靜壓差,只要靜壓差不消失,升力始終存在。

那麼靜壓差會不會消失?首先要明白靜壓差產生的原因是什麼?就是流體的曲線運動,產生離心力,半徑越大,靜壓力越大,也就是說只要存在繞流運動,就一定存在靜壓差。

那麼粘性的存在是不是影響了流體的繞流運動了呢?不可能。可以用反證法,如果粘性會影響繞流,那麼流體在沒有粘性情況下只會走直線運動,那麼顯然與繞流物體周圍存在負壓空間而這個是不可能存在的,因此流體一定會沿著繞流物體運動從而產生靜壓差,因此沒有粘性不會導致升力的消失。


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