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1、（5）、边界层理论当流体在大雷诺数条件下运动时，可把流体的粘性和导热看成集中作用在流体表面的薄层即边界层内。根据边界层的这一特点，简化纳维斯托克斯方程，并加以求解，即可得到阻力和传热规律。这一理论是德国物理学家L.普朗特于1904年提出的，它为粘性不可压缩流体动力学的发展创造了条件。流体在大雷诺数下作绕流流动时，在离固体壁面较远处，粘性力比惯性力小得多，可以忽略；但在固体壁面附近的薄层中,粘性力的影响则不能忽略,沿壁面法线方向存在相当大的速度梯度，这一薄层叫做边界层。流体的雷诺数越大，边界层越薄。从边界层内的流动过渡到外部流动是渐变的，所以边界层的厚度通常定义为从物面到约等于99%的外部流动速
2、度处的垂直距离，它随着离物体前缘的距离增加而增大。根据雷诺数的大小，边界层内的流动有层流与湍流两种形态。一般上游为层流边界层，下游从某处以后转变为湍流，且边界层急剧增厚。层流和湍流之间有一过渡区。当所绕流的物体被加热（或冷却）或高速气流掠过物体时，在邻近物面的薄层区域有很大的温度梯度，这一薄层称为热边界层。分析方法大雷诺数的绕流流动可分为两个区，即很薄的一层边界层区和边界层以外的无粘性流动区。因此，处理粘性流体的方法是：略去粘性和热传导，把流场计算出来，然后用这样的初次近似求得的物体表面上的压力、速度和温度分布作为边界层外边界条件去解这一物体的边界层问题。算出边界层就可算出物面上的阻力和传热量
3、。如此的迭代程序使问题求解大为简化，这就是经典的普朗特边界层理论的基本方法。边界层脱离物面并在物面附近出现回流的现象。当边界层外流压力沿流动方向增加得足够快时，与流动方向相反的压差作用力和壁面粘性阻力使边界层内流体的动量减少，从而在物面某处开始产生分离，形成回流区或漩涡，导致很大的能量耗散。绕流过圆柱、圆球等钝头物体后的流动，角度大的锥形扩散管内的流动是这种分离的典型例子。分离区沿物面的压力分布与按无粘性流体计算的结果有很大出入，常由实验决定。边界层分离区域大的绕流物体，由于物面压力发生大的变化，物体前后压力明显不平衡，一般存在着比粘性摩擦阻力大得多的压差阻力（又称形阻）。当层流边界层在到达分
4、离点前已转变为湍流时，由于湍流的强烈混合效应，分离点会后移。这样，虽然增大了摩擦阻力，但压差阻力大为降低，从而减少能量损失。 边界层理论指导着F1赛车的发展，对流体力学的研究作出了重要贡献。（6）、伯努利方程伯努利方程是理想流体定常流动的状态方程，意为流体在忽略粘性损失的流动中，流线上任意两点的压力势能、动能与位势能之和保持不变。理想正流体在有势体积力作用下作定常运动时，运动方程（即欧拉方程）沿流线积分而得到的表达运动流体机械能守恒的方程。因著名的瑞士科学家D.伯努利于1738年提出而得名。对于重力场中的不可压缩均质流体，方程表示为： P+gh+1/2v2=cp、 、v分别表示流体的压强、密度
5、和速度，h为铅垂高度，g为重力加速度，c为常量。上式各项分别表示单位体积流体的压力能p重力势能gh和动能1/2v2，在沿流线运动的过程中，总和保持不变，即总能量守恒。但各流线之间总能量（即上式中的常量值）可能不同。补充：p1+1/2v12+gh1=p2+1/2v22+gh2p+gh+1/2v2常量均为伯努利方程，其中1/2v2与流速有关，称为动压强，p和 gh称为静压强。伯努利方程揭示流体在重力场中流动时的能量守恒。如果研究的是气体，那么重力的影响就可以忽略不计，公式化简为P+1/2v2=常量（p0）各项分别称为静压、动压和总压。显然，流动中速度增大，压强就减小，速度减小，压强就增大，速度降为
6、零，压强就达到最大（理论上应等于总压）。F1翼片产生下压力，就在于下翼而速度高而压强小，上翼面速度低而压强大，因而合力向下。据此方程，测量流体的总压、静压却可求得速度，成为皮托管的测速原理。在无旋流动中，也可利用无旋条件积分欧拉方程而得到相同的结果，但涵义不同，此时公式中的常量在全流场不变，表示各流线上流体有相同的总能量，方程适用于全流场任意两点间。在粘性流动中，粘性摩擦力消耗机械能而产生热，机械能不守恒，推广使用伯努利方程时，应该加入机械能损失项。由伯努利方程可以看出，流速大处压力低，流速小处压力高，需要强调的是，伯努利方程的推导假设是固体静止不动，因此在应用伯努利方程时，需要变换参照系，结
7、果是伯努利方程中的v不是物体的实际运动速度，而是物体与流体相对运动的速度，比如，飞机在逆风起飞时会获得比顺风更好的起飞效果，而F1赛车在制动点的选择上也受到类似的影响，逆风时可以产生更多的下压力（特别是前部），制动距离缩短，车手可以更晚地踩下刹车，而顺风时气动效应被削弱，制远距离延长，车手不得不更早地放开油门制动，这一点在马来西亚雪邦赛道的9号弯和15号弯最为明显，进两个弯之前赛车的行进方向刚好相反，通常一个弯之前的制动距离被缩短，就意味着另一个弯前的制动距离被延长。（7）、文丘里效应文丘里效应，又称文氏效应。这种现象以其发现者，意大利物理学家文丘里命名。这种效应可以制作出文丘里管。当气体或液
8、体在文丘理管里面流动，在管道的最窄处，动态压力（速度）达到最大值，静态压力（静息压力）达到最小值。气体（液体）的速度因为涌流横截面积变化的关系而上升。整个涌流都要在同一时间能经历缩小的过程，因而压力也在同一时间减小。进而产生压力差，这个压力差用于测量或者给流体提供外在吸引力。对于理想流体（液体或气体，其不可压缩和不具有摩擦），其压力差通过伯努利方程获得。文丘里效应的原理则是当风吹过阻挡物时，在阻挡物的背风面上方端口附近气压相对较低，从而产生吸附作用并导致空气的流动。文丘里管的原理其实很简单，它就是把气流由粗变细，以加快气体流速，使气体在文氏管出口的后侧形成一个“真空”区。当这个真空区靠近工件时
9、会对工件产生一定的吸附作用。压缩空气从文丘里管的入口进入 ，少部分通过截面很小的喷管排出。随之截面逐渐减小，压缩空气的压强减小，流速变大，这时就在吸附腔的进口内产生一个真空度，致使因周围空气被吸入文氏管内，随着压缩空气一起流进扩散腔内减小气体的流速，之后通过消音装置减小气流震荡。文丘里效应对于F1赛车的扩散器具有借鉴意义。（8）、康达效应康达效应（Coanda Effect）亦称附壁作用或柯恩达效应。 流体（水流或气流）有离开本来的运动方向，改为随着凸出的物体表面摩擦时，流体的流速会减慢。只要物体表面的曲率不是很大，依据流体力学中的伯努利原理，流速的减缓会导致流体被吸附在物体的表面上流动。这中
10、作用是以罗马尼亚发明家亨利-康达命名。Coanda效应指出，如果平顺地流动的流体经过具有弯度的凸表面的时候，有向凸表面吸附的趋向。打开自来水的时候，如果用筷子去触碰水柱（只要部分水柱即可，这样现象更明显），水会随着筷子向下淌，而不是按重力的方向从水龙头直接往下流。康达效应被广泛地应用到了2012年规则框架下的F1赛车上，康达效应排气管使得废气由底盘吹出重新成为了可能，（具体的问题，我们会在之后的文章中专题分析）（9）、地面效应严格来讲,地面效应的概念只适用于在高速空气动力学。飞机的翼尖涡流是这一理念被引入的主要原因。当飞机机翼进入高速状态时，其下表面的高压气流往往会越界翻滚到机翼上表面扰乱低压
11、气流，从而形成诱导阻力。降低机翼的升阻比，导致机翼效率大降。而当飞机近地飞行时，由于与地面之前的空间更为有限，机翼下部的气流层便会更加的平稳，从而扰乱翼尖涡流。在没有翼尖涡流的情况下，机翼的攻角能变得更为接近理论水平，因此便使飞机更有效率。这就是地面效应真正的作用。同时很多只在地效区域飞行的地效飞行器，也是利用这种原理来获得更优质的升力，来提升机翼的效率。但是在F1领域中，地面效应被赋予了截然不同的概念。F1工程师通过特别设计的底盘（莲花78,79）或风扇（布拉汉姆车队创造的BT46B型风扇底盘赛车），人为地制造真空以获取强大的吸地效应。离地间隙（赛车底部和赛道表面之间的距离）对提高底盘和扩散
12、器之间的联系的效用有大的帮助，赛车的底板是最重要的空气动力附加装置。底盘和赛道之间的离地间隙越小，该区域气流运动的速度也就越大，根据伯努利方程，此区域的静压力也就减小，赛车所受的气动负升力也就越大，使得赛车被强烈地“吸附”在赛道上，产生所谓的“地面效应”。地面效应曾被F1车队用来提高车速，但为防止追求更高的转弯速度而引发事故，FIA规定赛车前轮后后缘到后轮前缘部必须平直，限制了地面效应的充分应用。由此FIA规则规定赛车底盘上必须要安装一志10mm厚的木板，若此木板低于9mm，该车会被取消参赛资格。独立的底板是安装在每辆赛车底部的中间位置（从前到后）的硬木板，通过螺栓与承载式车身下侧相连接，通过
13、赛的对木板的磨损程度的检查可判断车辆底盘是否过低。最早运用地面效应于赛车运动中的时间是20世纪70年代，当时考林-查普曼在莲花赛车底部安装一个空气通道，通过前面的部分相对狭窄，但在向车尾延伸的同时不断扩大。由于赛车的底部离地间隙很小，所以通道和地面形成了一个封闭管道。当赛车飞驰时，空气从车头进入，在底盘和地面之间加速，产生非常低的压强，从而产生向下的压力。时下赛车底部的设计多趋于部分或完全覆盖从理论上分析，对于完全由光滑底板覆盖的车底而言，离地高度越低，进入赛车底部前段的气流速度越快，在车底形成的负压区就越可观。现在F1赛车的底盘的形式多采用阶梯型，已经不会产生太多的地面效应，扩散器就变得更加
14、重要。当今也存在F1设计师将车底设计成从前向后升高或设置纵向凹槽的形式，地面与车底部的凹槽构成拉伐尔管，亚声速气流在该管收缩段被加速，车身底部与车身上表面的压力差增加，即增加了下压力，拉伐尔管道的横截面形状、管道截面面积沿注射的变化等都影响车身底部的流态。为了更好地提高F1赛车的下压力，空气动力学工程师运用拉伐尔管效应在赛车底部的两侧装上整流裙，整流裙刚好接触路面以密封底部气流，使得车身降至20mm，仍然取得了很好的气动效果。滑动裙（sliding skirts）是安装在赛车两侧散热箱侧面底部的风翼，它阻止侧面气流通过赛车底部而使赛车底部形成真空，以此将赛车吸附在赛道上并增加赛车在变产中的侧身
15、附着力，成功地运用了地面效应。另一辆应用地面效应创造下压力的赛车就是戈登-穆雷开发的布拉汉姆BT46B赛车。然而与前者不同的是，由于BT46使用的阿尔法罗米欧引擎宽度大，并没有足够的空间赛车采用莲花79那样的扩散器设计。穆雷决定，他要通过另外一套工作原理建立起赛车底部的真空效果在赛车尾部增设一个巨大的风扇装置。在赛车尾部安装了一个由引擎自主驱动的风扇装置。引擎转速越快，这个装置吸引赛车底部传来的空气就越多，由此建立起上述效果。像查普曼的莲花赛车一样，BT46B也安装了侧裙用以维持车下的低压区，但并未对赛车外形造成改变。然而同年内，围场中的众多车队都谴责这一争议涉及，称其违反了“不可移动空气动力装置”调理。因此布拉汉姆车队的所有者伯尼-埃克莱斯顿决定从赛车系列中拿掉BT46B，避免引起其他车队的争议。国际汽联随后将这款赛车的风扇装置视作“可移动空气动力装置”，对它施行了永久性禁令。（10）、失速现象在流体动力学中，失速是指翼型气动攻角增加到一定程度（达到临界值）时，翼型所产生的升力突然减小的一种状态。翼型气动迎角超过该临界值之前，翼型的升力是随迎角增加而递增的；但是迎角超过该临界值后，翼型的升力将递减。简单来说，飞机失速意味着机翼上产生的升力突然减少，从而导致飞机的飞行高度快速降低。注意失速并不意味著引擎停止了工作或是飞机失去了前进的速度。
