如果流体在与壁面接触之前是层流的,则会形成层流边界层,反之亦然。然而,层流和湍流之间的过渡几乎可以保证在某一点上发生在壁面上(在F1赛车上——它发生在任何地方,因为所有表面都足够长,车速和表面上的压力梯度也是如此)。
非常重要的是要注意,湍流边界层与自由流湍流不同,并不总是坏事。例如,与层流相比,它可以保持附着在具有相对强的反向压力梯度的曲面上。它有一个表面阻力惩罚,但差别是最小的——以高尔夫球酒窝为例,通过遍布整个球的湍流边界层保持流动更长时间,以减少形状/压力阻力比减少表面阻力更重要。
当湍流边界层分离时,也会形成完全的湍流,下游的一切都可能(并且经常)受到影响。这种情况的一个例子是在汽车的焦炭瓶区域发生分离,在这里存在强烈的压力梯度,很容易发生流动分离——如图8所示。
一维、二维和三维流动
在科学研究和将自然规律转化为数学方程式的过程中,简化的内容非常丰富。这也是所谓的一维和二维流动的情况,即沿直线流动和平面流动。无需解释这只是一个语义问题,每个流体流实际上都是一个体积中的流,即三维流。
一般来说,F1赛车外部空气动力学中不存在1D和2D气流(从简化的角度来看)。即使是通过S型风管的流动也不能真正观察到一维,因为三维流动会产生显著的影响。然而,F1赛车的某些区域可以局部观察到一维流和二维流。
如本文第一部分所述,机翼上的会聚槽(以及现在汽车的几乎所有其他部分)用于为边界层通电和加速机翼下侧的流动,同时降低底部的压力并增加机翼顶部的压力。局部情况下,当进行横截面切割时,槽可以观察为1D流,因为该区域中有一个入口和一个出口。
当涉及液压流槽管道或空气流时,1D流量计算更为重要。流体动力学的这一领域对于喷嘴的计算也很重要,特别是当马赫数大于1时。风洞横截面也在很大程度上由一维流动计算确定。
当每个点的流速平行于一个固定平面时,可以说这是一个二维流。由于F1赛车上形成了大量非常强的漩涡,因此实际上赛车上没有二维流动的平面,即使理论上在对称平面上也是如此。从另一个角度来看,有关二维流动的研究非常重要——机翼设计为二维曲线,在强制二维条件下的风洞中进行测试,也在二维CFD模拟中进行测试。为了更好地理解如何从分析的角度看待机翼,提及不同类型的二维流动是很有用的。
线源是流体在垂直于线的平面上出现和流出的线。同样的情况也适用于管线水槽——流体流向与之垂直的水槽。这基本上是CFD模拟中的二维入口/出口。
均匀源流是从公共点向外定向的径向对称流场。同样的敌人是均匀的下沉流。一个均匀的源流最好被描绘成一颗向各个方向发光的恒星,而汇则是一个黑洞——从各个方向吸进一切。
无旋旋涡是一种旋涡,在该旋涡中,每一点处的流动都使得放置在那里的小颗粒经历纯平移而不旋转。没有径向流动,所以在中心速度为零。这种涡旋的一个重要特征是环流(Γ),它是绕速度场闭合曲线的线积分。换句话说,环流是围绕闭合曲线的速度通量,即垂直于该曲线所包围的表面。
绕机翼的流动可以表示为绕其圆周的循环。不用说,这只在首先绕着机翼本身流动时才成立,所以它圆周上的切向速度与自由流速度相加。顺时针循环提供升力,导致机翼上表面的速度增加,下表面的速度减少——事实就是如此。这被称为库塔-朱可夫斯基定理,马格纳斯效应是环流和升力产生之间相关性的最好例子之一。