空气绕流与涡旋尾流
Airflow & vortex wakes
开始之前
空气从汽车、骑车人或桥墩旁边冲过，会在后方留下一片被扰乱的区域。这片区域会消耗能量，是车辆必须克服的阻力的重要来源。在管道中的水页面，我们在平稳流过管道的水中认识了黏性。当流速更快、或者障碍物更大时，平稳的流动可能变成打旋的涡。一个叫作雷诺数的数，比较两种倾向：运动的空气“保持向前冲”，黏性“把流动抹平”。它能帮助我们预测会看到哪一种流动。
空气在流动，但我们通常看不见它的路径。这里加入少量示踪烟，让我们观察空气怎样绕过一个物体，以及经过物体后怎样继续运动。先保持条件不变，等后方的流动形成，再改变雷诺数或物体形状。这样比较，才能分清改变条件带来的差别与流动尚未稳定造成的差别。
实验设置这是一个二维风洞。空气从左侧进入，遇到一个障碍物，它可以是圆柱、椭圆、正方形、三角形或翼型。烟随着计算出的气流运动；在风洞中点击可以再释放一些烟。你可以拖动物体、改变它的角度，并设置雷诺数；雷诺数比较的是运动的空气“保持向前冲”的倾向与黏性“把流动抹平”的作用。
怎样观察先用较小的雷诺数，等物体后方的烟迹不再变化。然后增大雷诺数，再等一会儿：在圆柱后方，涡旋开始交替从上下两侧脱落。等尾流稳定以后，再比较阻力和升力。最后保持雷诺数不变，改变物体形状，比较尾流有多宽。烟显示的是空气的去向，并不是空气分子本身的图像。
先预测静止的障碍物也会受力吗？
用烟雾建立流场、阻力和尾涡的直觉。
前置知识：流体可以流动，包括液体和气体。黏性描述相邻流层之间的摩擦效应。看不见的空气
先预测静止的障碍物也会受力吗？
现在看空气从左侧进入，遇到固定的圆柱。白色烟丝是被空气带着走的标记，帮助我们看见空气往哪里走；它不是放大的空气分子。先保留、圆柱和烟雾显示，按播放，等尾流形成。这里“尾流”就是物体后方被它改变过的流动。
物体不动，为什么仍会受到力？把一小份空气的质量记、速度记，动量就是；改变速度的大小或方向都会改变动量。圆柱迫使空气绕开，空气动量变化需要力，圆柱也受到反向作用。沿来流方向的力叫阻力，垂直来流的分量叫升力。这里空气向右流，所以阻力作用在圆柱上通常向右。
这是牛顿第二定律的动量写法：质量不变时，。上方横线表示所选时间段内的平均值；瞬时的力则用 。模型在边界处累计空气的动量变化来估计作用力，再把读数稍作平滑，便于观察。等烟丝形成后，切换“压力”：暖色表示较高压力，冷色表示较低压力；压力是单位面积上的垂直作用力，颜色不是温度。
画面是二维截面，圆柱沿屏幕里外方向延伸。速度和尺寸在计算网格中设定，没有给它们指定真实的米和秒，所以不能把阻力系数读成多少牛顿。下一步解释怎样控制相对作用，最后再解释这些系数。
怎样观察
- 低 Re 时尾流较平稳。提高 Re 后，观察涡旋是否开始交替脱落；流场需要一段时间才能形成。
- 切换圆柱、椭圆、方柱、三角柱和翼型；等待尾流形成，再比较阻力与升力。
- 烟雾代表被气流携带的示踪物，不是肉眼可见的空气分子。
这个模型简化了什么
使用 D2Q9 格子玻尔兹曼方法，包含黏性和固体无滑移边界。此处是二维、近不可压缩、低马赫数气流；有限分辨率与风洞边界会影响阻力估计，不能用于机翼设计。Re 的参考长度固定为初始圆柱直径，便于比较形状。较高 Re 的交替尾涡不等于完整三维湍流。气体可被压缩，涉及激波和高速飞行时需要不同模型。
