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三体解析飞机发动机龙卷风怎样产生

Δ·Damocles 发表于 2015-4-7 18:01:13 [ 上一主题] [下一主题]

你见过这些奇怪的现象吗?飞机发动机口出现一股细小的龙卷风。当飞机静止在跑道上,或者缓慢地行驶在跑道上时,发动机前有时会产生一道类似龙卷风的神秘气流,又像在刷杂技,又像在喷水。它们是怎么形成的呢?今天三体小编就带你一层层揭开它的神秘面纱。

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  托互联网的福,这些年很多人才有机会看到这种神秘现象。然而,国外对发动机前产生的这种神秘气流的研究,其实已经有超过六十年的历史了。

  一直以来,这些神秘气流形成的原因,都藏匿于写满无数公式的论文中,所以,很多人虽然对现象啧啧称奇,但对其背后的原因却不是很了解。有人开玩笑说,这是发动机在尿尿;还有人,没有经过多少思考,就拍脑袋说,这是飞机在放油。

实际上,这种现象叫作“地面涡流”(Ground  vortex),简称地面涡。既然是一种涡流,这就好理解了,龙卷风就是一种涡流,而地面涡的形状跟龙卷风也很神似,像一条小白龙。
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当发动机的进气口吸气时,空气从四面八方进入进气口。由于发动机贴近地面,使得贴地气流的流动受到限制,此时,如果有侧风吹过,上升气流开始扭动,继而快速旋转,于是涡流就形成了。
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要形象地理解地面涡的形成过程,我们可以这样想象,也许不是很恰当,但有助于大家的理解。想象一下,发动机高速转动时,其周围大量的空气被吸走,导致发动机周围(包括地面)气压很低,因此,远处的空气得赶紧跑过去填这个“坑”;在跑过去的过程中,空气的步伐越来越快,当它跑到发动机口下方时,按理,因为惯性,它依然有保持向前冲的趋势,但是,上方发动机的进气口产生强大吸力,及时拉住了它(空气),空气没办法,只好扭转身体,并向上走,扭转着,扭转着,涡流就形成了。
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若发动机接近机身,在机身上也会形成涡流

  实际上,上图中,就算没有机身产生的那一条涡旋,地面涡也可以同时产生几条涡旋,而不只是一条。

神秘气流为何不常见到?

  你也许乘机无数,却从未看到过这种神秘气流,不过,不要因此就怀疑你如此“不幸”,所乘坐的客机都没有地面涡形成。其实,在晴朗干燥的大气条件下,地面涡也会产生,只是你看不见而已。只有在大气湿度很高,或者地面潮湿时,你才能轻而易举地发现地面涡的身影。因此,下雨后去乘机时,你可以找个合适的角度仔细观察一下。

  我们知道,龙卷风的中心转速最快,跟龙卷风类似,发动机产生的地面涡也是这样的。
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气体产生的涡旋都有这样一个特征,即,越接近中心,转速越快。从上面的gif图中可以看出,外围的红斑没有里面的红斑转动得快,而里面的红斑又没有内部的箭头转动得快。
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 根据伯努利定律,在等高流动时,流体速度越快,气压就越低。
机翼上方的空气流速大于机翼下方,所以上方的气压小于机翼下方的气压,正是这个压力差让飞机得以起飞

  而气压越低,温度就越低,所以,地面涡产生时,涡流的中心由于低气温,水蒸气发生凝结,变成了白色的雾气,这才变得可见。
是不是觉得很神奇呢?如果有天三体中的曲率飞船发明后会产生些什么奇妙的现象呢?更多精彩内容尽在科学边界
(原文转载自蝌蚪五线谱,作者作者:寒木钓萌)

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