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打开车窗,风为什么从车外向车里吹?

【physixfan的回答(266票)】:

这是个好问题,我曾经也有过同样的困惑。

风其实是双向的,既有从车内到车外的风,又有车外到车内的风。否则车内的空气不就越来越少或者越来越多了嘛,而这是不可能的。

有意思的问题是,根据伯努利原理“流体流速大则压强小”,到底车内和车外哪里空气压强更高呢?到底是哪个参考系的流速决定了压强大小?

首先要回顾一下伯努利方程的推导,见伯努利原理_百度百科。可见,推导时需要用到定常流动这一假设,即速度场等流体性质不随时间而改变。如果以地面为参考系,车是在移动的,势必会造成流场不是定常流动,因此地面参考系不满足伯努利原理的前提条件,在地面参考系使用伯努利原理是错误的。在汽车参考系对车外的空气做一些假设则可以认为是定常流动,此时可以认为车窗内空气流速小所以压强大。

以地面为参考系来解这个问题自然也是可以的,从最基本的具有伽里略不变性的Navier-Stokes方程出发直接数值求解是正确的做法之一,只是要小心边界条件是随时间变化的。但是在地面参考系使用伯努利原理就是错误的了。

知乎上有一个相关问题的精彩答案 汽车行驶时从开着的窗户吹进来的空气最终是从哪里流走或者转化了的? 里面 @stevenliuyi 给出了一张模拟的汽车内外流场图(以汽车为参考系),可以给大家一个更深刻的印象:

流体力学里如果想要转换坐标系需要特别的注意,我自己在学习流体力学的过程中以及最一开始写这个问题答案的时候都犯过错误。固定边界(以形成定常流动)是最常用的流体力学边界条件,很多结论都依赖于此边界条件,但是它太常用以至于很多时候我们都没有意识到一些结论是依赖这个边界条件的,换了参考系就不能直接使用了。在流体力学中转换参考系需要谨慎再谨慎。

【毛颖博的回答(19票)】:

我终于可以光明正大的写下这两个字了:谢邀。

先挖个坑,等我上班回来答。

----------------------------------分割线---------------------------------

题主,你的分析错误在于两点:

1、方程没选对。

2、错误地引用了相对能量的概念。

一个一个来。

假设车内参数下标为1,车外参数下标为2,你的分析是有一个前提的,那就是:

(车内外静压+动能相等)

或者:

(车内外总压相等)

可是对于您描述的情况,这个方程并不适合。为什么?因为车内的总压本来就和车外的总压不相等啊。

我们从在车起步之前开始分析,辣时候,车内外总压和静压都是相等的。但是当车加速到一个匀速的时候,车子对车内的气体是做了功的,根据能量方程,这时候车内的总压要大于车外的总压,而车内的静压等于车外的总压(不考虑粘性损失,如果考虑的话,车内静压大于车外总压)。用方程写出来就是:

关于坐标系变换,题主要注意一点,在能量方程里做坐标系变换时非常精细的,对于初学者而言,常犯的错误就是出现了相对能量的概念。我实在要干活了,晚上回家再补齐。

-------------------------------report写累了,把坑填了-------------------------------

题主,我今天工作的时候突然想了想,发现你这个坑好大。。。。我想着想着脑洞都要开了。

不扯淡。就用题主的方法,以地面为参考系。

我决定先秉承知乎的风格,先说是不是,再说为什么。

上张粗糙的图:

图中箭头表示气体相对车的相对速度。

正如我之前分析出来的结论,车里的气体静压是要等于大气的总压的(无粘)。事实是,如果气体是无粘的,那么只要车始终保持匀速,那么不会有任何气体经过“车”的边界。为什么?因为大气是静止的,所以大气的静压和总压相等,也就是说大气的静压和车内的静压相等,所以没有任何驱动力使得车内的气体流出来或者大气流入车体,即:

所以在理想状态下,题主你的问题压根就不成立。

既然理想状态不行,那么实际题主你遇到的气体是怎样的呢?不好意思,他是有粘性的。那么还是这个车,这个图就变成了下面这样:

注意,图中的三角形表示的是车身附近空气的速度分布,这是由于粘性导致的不可滑移边界条件。注意,图中的三角形表示的是车身附近空气的速度分布,这是由于粘性导致的不可滑移边界条件。

假设车身无限长,大气的范围无穷大,考虑层流不考虑湍流,那么当车辆匀速运行时,方程就变成了:

因为无穷大的大气保证其总压不变,但是因为有了速度,所以静压自然要下降,所以这时候,答主打开车窗的瞬间,会感觉脑后有风朝外吹。

但是,这是实际情况吗?

……

……

……

当然不是!不然脑洞早都爆了好吗!你在哪见过无限长的车身。。。

所以问题就需要进一步复杂化。、因为车身的长度有限,那么在车头的部位,因为车身不可滑移边界条件的限制,会出现一个不连续的速度分布,如下图:

虚线处,理论上来说速度会从0猛地变为和车速一样,当然,实际情况由于流线可弯曲、气体可压缩,所以其实速度是非常平滑的变化过来的,但是无论哪种情况,可以肯定的是,车对周围的大气做了功。而且这个功和之前的简化情况不同,这使得车身附近气体的总压增加了,所以之前的讨论就无法保证车内的静压大于大气的静压了,那么空气是否从车内流向车外就无从得知了。

而真实的情况,如果不考虑不定常性,那么当车辆匀速行驶后,开窗的瞬间,正如之前的分析一样,车身可视为无限长(瞬间!),那么因为内外静压差,气体会从窗户跑到大气里。接下来,质量失衡会迫使外部的气体补充进来,从而形成循环。

------------------Update------------------------

我还是做个更新吧,免得误人子弟了。

1、题主的问题问得很含糊,所以我按不同的情况给了答案。

2、关于相对坐标变化的能量,请参见相对论。

【知乎用户的回答(5票)】:

你想想如果真按你的预设,那么车里的空气岂不是要被抽空了?显然车内的空气是有进有出,整体气压略低于外界一个大气压的。

你能吹到风,说明你坐在车窗的中后方,你试试看坐到窗子的前方,还能不能吹到风?

车外的空气流体速度大压强小,在车窗前部就会把车内的空气抽出去,然后在车窗中后部吹进来,可以理解为被车内略低的气压吸进来的。

【李怡通的回答(6票)】:

进来的风跟出去的风一样多,但前者更容易被感知。

吹进来的风只有一个集中的源,就是狭窄的车窗,因此吹进来的风「硬」,车窗开得越小风越硬。

而出去的风,源头分散在车内各处,不会特地集合成一束风来吹你,故不易察觉。

家用空调,送风和抽气的空气量也是相等的,但除非把手凑上抽气口,否则只觉吹风,不觉抽风,也是一样的道理。当年「发现空调竟然还有一个地方用来抽风」足以跻身本人的世界观刷新事件排行榜TOP 500。

【八六的回答(4票)】:

上面的回答都很专业很详细的样子了 不过还是忍不住想答一个 因为很多年前在电视节目上看到过类似这个问题的解答

首先可以试下拿两张A4纸平行拿在两手上 然后往两张纸的中间吹口气(如下糙图) 这时你会发现纸张往中间靠拢 节目是用这个原理解释了为什么火车快速前行的时候人不能靠铁轨太近 否则会被气流卷进去

就是物体在快速前进的过程中会形成一个压强差 而空气在有压强差的情况下会从高处流向低处 形成吸入的感觉

凭记忆是这样子的 不对的地方欢迎大家纠正 我想这个原理应该可以解释车辆在前行过程中 窗外的空气往里流动的原因

【李希宇的回答(1票)】:

因为往外吹的风你不容易感觉。。。车上吸烟时候就可以明显观察到往外走的气流。。。

【王小磊的回答(0票)】:

根据我的开车经验,高速上开左前窗和右后窗气流对驾驶员很舒服,开一点缝隙都很好,去过反过来驾驶员感受很轻微的风,以上两种情况前排俩人腿部的风都很好,不是那种直吹,而是湍流。楼上几位都讲到相对速度的问题,但是忽略了风压问题,也就是空气的阻力,风阻力不见得是垂直车头,有侧向风。所以那个图是有问题的,太理论化。

【江成武的回答(2票)】:

把空气替换成水,是不是更容易理解?

【JChen的回答(0票)】:

不知道怎么邀请我了,总之谢谢。

题主已明白在车坐标系下伯努利方程导致车内气压高于车外,所以有气流向外流出(与此同时自然有气流向内流进,乘客对风向的感觉就取决于所在的位置和个人感受了)。

不过,“如果以地为参考系结论就相反”这结论下得不对。从物理现象上来解释,姑且这么说:坐在车内的人才会感觉到风的流动方向;而在地面参考系下的人是无法确切地感知另一个坐标系的气流流动的…这么复杂,果断应该转换坐标系。

另,想象一个密闭空间如高速列车,并不能因为列车在地面参考系下运动而说其内部气压比外部气压低,事实上两者的静压都是大气压,差别是车内空气另具有整体动能。

从数学方程的角度分析,如physixfan所说,如果以地面为参考系,由于车在运动,整个流动是非定常的(BTW,非定常是指流动状态时刻在变化,因为车的位置时刻不同),此时伯努利方程不能成立,所以在地面参考系下不能用伯努利解释。

【LiCheng的回答(0票)】:

感谢邀请。

这个应该还是一个open question吧。

定量分析需要具体做计算流体力学的模型,选择合适的湍流模型来模拟。 作为做实验的可以测一下流场。我搜索了一下文献,没有比较好的测窗子流场的实验。另外,大家分析的时候都考虑的是定常bernoulli's equaiton(BE), notice BE是从euler equation导出的,在剪切很大的情况下,粘性项是不能忽略的,所以在窗子shear很大的情况下,不管怎么选择参考系,BE不太能够做出很好的结果。但有一点可以肯定,质量守恒,有进肯定有出,但具体车窗截面流量的测量需要一定的边界条件,初始条件 etc. 通过NS方程各项综合作用的结果(废话) 只是想强调下,shear一定要考虑哦

【风信子的回答(0票)】:

不管以什么为参考坐标系,外界大气相对于车行使方向作相反方向的运动,所以空气向车窗内流动

【尤悦的回答(0票)】:

外面空气流速大,压强小,而里面相对压强大,空气被压到外面,形成了风

【GODgrandpa的回答(0票)】:

老师上课有讲过这个:车开的快的时候,即使外循环没有打开。也会有一部分风从空调那跑进来,很小。然后从天窗被抽走。车速度快,但是空气流通量不是很大。天窗关掉,就不会形成流通。空气就不会跑进来了。

【马拉轰的回答(0票)】:

伯努利定律的严格适用条件是不可压缩的无粘流。如果一定要用来解释实际现象,肯定要忽略某些次要因素,处理起来要很小心。比如伯努利定律能穿过边界层(boundary layer)吗?

下面的解释只能是定性的泛泛而谈。

假设车窗紧闭,不开空调,这样车内的static pressure和车外无穷远处空气的static pressure相等,都是一个大气压,但是两者相对于惯性参照系的速度不一样,差了一个车速。接下来的分析必须同时考虑边界层外的速度和伯努利定律,就是普朗特1904年的那个公式

。车侧能近似成平板,但是车本身有体积,这里的U是边界层外的速度,不是无穷远处的速度。伯努利定律联系的两头不是车内和车外,而是

。接下来不讲了,有流体力学基础的同学应该能想清楚为什么车外压力低,弄不清楚的应该重修。

在开窗前车内压力大,车外压力小的前提下,可以分析两种情况:

1)车窗只开一条缝,此时对车外流场几乎无影响。刚打开时存在这个压力差,就像某答案提到的,如果在窗缝上点一支烟,可以看见烟气往外跑。当然,一段时间之后,车内压力会降低到和车外同样大小,不进不出,不可能抽成真空的。压力低一点点,耳朵可能会有感觉。

2)车窗摇下一大半,此时车外流场改变了,前面的条件不再适合,因为出现了边界层分离(flow seperation),俗称“兜风”。这时当然会有气流向车里吹,类似车身后的情况,你感觉到有风吹进来,一般都是这种情况了。当然,气流肯定有进来也有出去,出去的气流人不大感觉到啦。

不能闭着眼睛做仿真,正常行驶速度,大开车窗,流场是分离了的湍流,k-epsilon做的RANS是不能看的,要长针眼,又及。

关于定常系统,伽利略不变形和伯努利定律:定常版本的伯努利定律假设

,在伽利略变换下

是变的,所以伯努利定律需要固定惯性参照系,这里分析用的参照系是车。如果是更广义的非定常伯努利,还是满足伽利略不变形的,不影响对压力的讨论,再及。

【陈思霖的回答(0票)】:

其实要是往外吹你也感受不到吧。

【汝时的回答(0票)】:

不就是流速大的地方压强小的原理吗。。?

【SunReggie的回答(0票)】:

果然越简单的问题,回答越复杂~~~~

【朱Daniel的回答(0票)】:

因为。窗户有缝.

原文地址:知乎

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