翼型系列 2：機翼流場現象

當機翼將空氣流向偏折往下的時候，氣流在機翼上下表面的速度是不一樣的， 流經上翼面的空氣會被加速，而流經下翼面的空氣會被減速。 從上圖的實驗截圖中可以很明顯觀察出來，原來在一開始排排站一起的空氣，到了後面的時候， 那吹過上翼面的空氣都已經離開機翼尾巴了，而這時下翼面的空氣才跑到大約機翼中間的位置而已。

雖然說實際上並不一定是下翼面氣流到了中間的時候，上翼面氣流就一定剛好到尾端， 因為上下翼面的流速實際差多少都和很多條件有關， 例如攻角、流場氣流速度、以及使用的翼剖面形狀等等。 但是上下翼面的流速確實存在差異，並且通常不會同時抵達尾端。 這個實驗結果直接打臉了滿大街那告訴你上下翼面的空氣同時到達尾端， 但是上翼面路徑比較長所以跑的比較快的鬼扯說法。 如果真的按照這種鬼扯的假設，套用伯努力公式實際計算， 會發現得出來的升力大小可能遠遠抬不起飛機的重量； 並且這種假設也無法解釋為什麼飛機可以上下倒過來飛？

但是流經上翼面的空氣為什麼會被加速呢？ 簡單的結論是因為上翼面的壓力比較低，所以把空氣給用力抽過去了； 相反的下翼面壓力比較大，所以給流經下翼面的空氣一個推阻減速的作用。 我想可能有不少人並不能夠直觀的理解為什麼上翼面會減壓增速、下翼面會加壓減速的這個部份， 為此我們不妨先看一個比較誇張的情況來理解。

上圖左上(Figure 2 左上)的情況基本就是一塊平板直挺挺的擋在那裡，氣流直接吹上去堵在左邊， 所以左邊壓力會增大，氣流也會被減速，這應該很好的直觀理解； 右邊則是一個大空洞，這裡會形成一個低壓區域，這個低壓區域就會把上下吹過的空氣往裡面吸過來， 這應該也很可以直觀理解； 並且剛剛才被板子用力擠壓，才剛艱難越過板子兩端的高壓空氣，這時再碰上這個低壓區的用力吸引， 突然高壓釋放的加速效果就會非常明顯。 現在若我們把板子稍微傾斜一點(Figure 2 右上)，使它不那麼垂直，那麼情況會有差別嗎？ 結論是大體現象仍和板子垂直時一樣，只是流場細節開始有些不同。 上下的氣流開始不那麼對稱了，稍多一點的氣流傾向往下流動， 並且在流出板子下端之後比較不容易被抽回板子背面， 而被抽入背面低壓區的氣流中，來自上端氣流的比例增加了。 再繼續傾斜平板使攻角愈來愈小(Figure 2 左下)， 這些同樣的現象依然同樣的在發生，只是影響效果愈來愈小。 直到攻角零度的時候(Figure 2 右下)，上下翼面沒有任何差異， 沒有被加速也沒有被減速，也沒有增壓或減壓。

這就是我對於為什麼上翼面會形成低壓區，並且氣流會被加速的淺顯白話解釋了， 同樣的下翼面氣流遭受機翼下翼面的阻力阻擋，所以下面的空氣就被增壓， 它會在水平方向減速，並被向下推擠加速。

空氣氣流流過機翼上下面時，都會沿著上下表面而吹過， 但是兩邊的機制不太一樣，並且上翼面的氣流比較難維持。 經過上翼面的氣流之所以能夠貼著機翼上表面走，主要受到兩種現象的影響， 第一種就是前面說過的上翼面低壓，這個低壓不只把前面的空氣吸過來加速，也會把上面的空氣吸下來 (當然也會把後面的氣流往回吸，所以上翼面氣流在過了最低壓區域之後又會慢慢減速， 不過平均還是快於下翼面就是了)； 第二種就是康達附壁效應(Coandă effect)，會讓氣流擁有貼著物體表面走的趨向。

但是這兩種效用都有一定的極限，不可能無限的吸附空氣順著它流， 當攻角增加到大於某一個程度以後，上翼面的氣流要繼續貼著表面走就會過於困難， 氣流無法再繼續附著在上翼面表面，從而會分離開來。 這個現象稱為「氣流分離」(flow separation)， 用在機翼上又有一個專有的稱呼叫作「失速」(stall)， 這個氣流分離的現象對機翼的設計使用都非常重要。 我們知道機翼的升力來自於上下翼面導引氣流所得力的加總， 當發生氣流分離現象時，上翼面將無法再有效的把空氣吸引改變流向向下， 因此會直接喪失掉上翼面的升力。 你可以想像本來兩個人抬著一整架飛機的重量在飛， 突然一個人消失了，肯定得讓飛機重重摔下來。 因此我們一般會很重視這個即將喪失升力的失速攻角， 而機翼翼型的失速攻角也成為衡量這個翼型好壞的一項重要指標數值。

當氣流分離的情況嚴重時，如同上圖(Figure 3 圖右)那樣， 此時不只上翼面氣流幾乎從頭開始就沒有再附著在機翼表面， 連下翼面的氣流在流出尾端後都被往上吸附而捲上來。 我們在機翼升力的原理那裡說過，機翼產生升力的原理就是從改變氣流流向而來的作用力， 那麼在氣流分離現象嚴重的時候，不只上翼面不再能夠有效吸附氣流往下， 甚至連下翼面好不容易折轉的氣流都被大量捲上來。 這時候就會形成一個機翼幾乎無法有效偏轉氣流，反而還背了個低壓的大漩渦； 幾乎無法有效產生升力，只產生了強大阻力的極不利現象。

相較於上翼面要小心呵護氣流，下翼面就寬鬆隨意的多了， 畢竟除非氣流可以吹斷機翼，否則不管攻角怎麼大， 氣流在下翼面也只能被老老實實的壓著貼著機翼表面走！

既然如此，上翼面吸附氣流比較吃力，下翼面則隨便怎麼樣氣流都得照著跑， 那能不能將機翼形狀設計成上面坡度比較小、而下面坡度抖，如同下圖(Figure 4)這樣呢？ 答案是一般來說沒有辦法，因為我們的機翼不是無限長，總是要有個結束， 而這樣機翼的上下面將無法會合到一起，到了尾巴只能變成一個問題更大的截斷面。 這一個陡峭的大斷面可能會產生更大的問題，造成更大的渦流低壓區，變成一個強大的阻力！ (但也不是絕對沒有人做成這樣，這部份等以後有機會談到機翼高升力裝置的話，會再回來探討這種設計)

從上圖風洞實驗的照片(Figure 5)還可以發現一個現象， 上下氣流的分離點可能和許多人想像的不太一樣！ 均勻的氣流從前面吹過來，因為機翼的阻隔而被分成上下兩部份， 這個在機翼面上，分隔了上、下氣流的中間那個位置，稱為「停滯點」(stagnation point)。 也許在很多人的想像中，停滯點的位置就是在機翼的最前面(Figure 6 圖上)， 而且很多機翼的解釋、甚至有些教科書都是這麼畫的； 然而這是一個天大的錯誤， 真正的停滯點其實是在往後移動了一小段距離的下翼面前端(Figure 6 圖下)； 當然如果是負攻角的話，停滯點就會跑到上翼面前端去。

為什麼真實的情況會與想像中有這點差異呢？為什麼空氣不應該是在最前頭的地方被分開呢？ 答案是在一推擠、一拉扯。 我們前面說到上翼面空氣會被加速，所以會從周圍拉扯更多空氣進來補位，否則空氣被拉走不就得真空了？ (先假設空氣還沒到會有壓縮效應的程度) 同一種解釋的另一種說法是上翼面形成的低壓區也會吸引牽引四周的空氣進來(見 Figure 7)， 所以上翼面再上面的空氣被往下拉、後面的空氣被往回拉而減速，前面的空氣被往後拉而加速， 當然也把一部份本來看起來該往下翼面走的空氣給拉過來往上走了。 另外一邊，在下翼面的空氣被機翼推擠(見 Figure 7)， 氣流在水平方向減速了，空氣壓力增加，往後塞車的情況下使得大部份氣流被往下推擠， 當然也有一部份的力被往前推擠，就把一部份本來看起來該走下翼面的空氣被擠出去往上走了。 於是翼前緣這些許多人直覺上以為該往下走的空氣， 就在一邊被下翼面增壓推擠、一邊被上翼面低壓吸引之下，往上走了， 從而使得真正的氣流停滯點下移到了真正的那個位置； 而且如果攻角繼續增加，這個停滯點的位置也會繼續後移。

前面提到的那個發生在翼前緣的，稱為停滯點的奇異小知識，其實對氣流的影響是關鍵性的。 前面示意圖故意選用了平板形狀翼剖面， 你會發現從翼前緣到停滯點之間的氣流會需要艱難的急轉彎翻越這個翼前緣，這其實會產生一個討厭的後遺症。 我前面說到上翼面抓住氣流比較吃力，當攻角大過一個程度之後就會抓不住氣流， 使得上翼面氣流分離，產生失速。 然而氣流之所以會分離的根源原因其實在於上翼面的氣流能量不夠了，才因此沒有足夠的動力繼續去貼附翼表面， 而氣流之所以會喪失足夠的能量，其實就是氣流在與機翼表面的摩擦中消耗了。

在了解上翼面氣流分離的根源原因在於氣流的與機翼表面的摩擦消耗之後， 我們再回來看看平板翼的前緣，氣流在這裡急遽的急轉彎轉向， 有騎過車或開過車的讀者應該可以感受，這是一個劇烈的動能消耗。 這個消耗會導致一個後果，那就是上翼面的氣流將會更難維持貼附，可能幾度的攻角就能導致發生失速， 而相比於其他那些比較「常見」的翼剖面形狀，有些低速翼型甚至可以撐到 20 度不失速。

既然知道了翼前緣對氣流的深刻影響，那麼如果能改善翼前緣劇烈消耗氣流動能的現象， 就可以延緩上翼面氣流分離的門檻，改善翼型的性能。 其中簡單的做法就是將翼前緣做成圓弧形(或橢圓形)，就能讓氣流轉向更平緩(如 Figure 8 圖中)。 頭部圓弧的弧度大小也會影響氣流在這地方的行走流暢度，從而影響機翼形狀的性能， 圓弧做的太小，就會讓機翼表現更加接近平板的尖銳前緣，增加氣流從前緣翻過的消耗(如 Figure 8 圖左)； 圓弧做的太大(如 Figure 8 圖右)，就會帶來機翼厚度增加的副作用， 此外在停滯點位置也會更像一個大的牆壁一樣，強迫更大範圍氣流進行 90 度轉向， 同樣也會增加消耗。

經過前面針對空氣氣流與翼前緣形狀的解釋後，也許有些聰明讀者舉一反三說： 「啊那我懂了，機翼的形狀就是為了讓空氣可以更順暢的轉向嘛！ 那又為什麼前緣要做成圓形呢？ 我直接順著氣流的流動趨勢做成像上圖(Figure 9 左上)的形狀不是效果更好嗎？」 如果說平板不利結構強度和空間利用，那就給它一個厚度， 然後做成上圖(Figure 9 右上)的樣子就好了。

其實這個方案還真的有用，再把前後做成尖銳狀的話就更完美了！ 尖銳前緣正好如同都江堰一樣順暢的將氣流一分為二，沒有前面大圓頭產生的氣流 90 度大轉彎； 機翼前段不是平直正正的擺放，而是參考前面的風洞實拍，順著氣流進來的自然角度擺放， 完美避免下面氣流要被迫翻越尖銳前緣的問題； 翼型中段再用一個弧度設計，將氣流順暢的逐漸改變方向，而不是用一個直挺挺平板直接叫氣流轉向。 這樣子做出來的翼型就是非常完美的翼型， 不僅對氣流的不必要擾動最少、阻力最小，還能夠最高效的導引氣流改變方向。

然後我們把這個翼型放平來看(Figure 9 左下、右下)，有沒有一種豁然開朗的感覺？ 這不就是常見機翼剖面的雛型了嗎！ 這就是為什麼我們通常看到的機翼剖面形狀都是帶有弧形的原因了， 與什麼伯努力什麼的完全沒關係，單純就是一個弧形可以更順暢的引導氣流轉向而已。 有些翼型看上去比較難看穿這種設計思路，因為它的下翼面是平的，只有上翼面帶有弧度而已(如 Figure 10)。 這種翼型其實可以看做是一個厚度漸寬再漸窄的對稱翼，再疊加上一個彎曲的弧度之後的結果， 恰好使下翼面成為平面。 而其實這個平面是精心計算設計後的結果，目的就是為了讓下翼面剛好是個平面， 為的是這樣比較方便加工製造而已！

現在我們再回顧一下前面才提過的翼前緣形狀設計。 我們在前面將翼前緣做成圓弧形，是為了避免像平板那樣使氣流必須翻越尖銳的前緣， 然而現在我們學會將整個前段灣個角度下來主動適配氣流方向， 這樣看起來完全不需要採用圓弧的前緣，完全避免圓弧前端會給停滯點附近氣流帶來 90 度大轉彎的缺點， 採用尖銳的前緣設計更能夠令氣流的損耗減到最小； 但是為什麼這樣子看似完美的形狀卻少見被採用在實際的機翼上呢？

這是因為這種彎曲翼面加上尖銳前緣的翼型只有在特定攻角才能達到最完美效果的緣故， 一旦攻角偏離了設計上的最佳角度，如同平板翼那樣導致氣流必須翻越尖銳前緣的情況同樣會出現 (如 Figure 11 左上、右上)。 然而作為飛機的機翼，飛行姿態隨時在變化、氣流角度隨時都在變化的情況下， 通常我們更希望機翼對氣流的接納度能夠存在比較寬一點的操作區間， 至少不會稍微抬個頭、低個頭就給你來個失速警告！ 在此前提下，這種只在特定攻角才有最佳效果、離了最佳攻角就容易失速的形狀顯然就不是個好的設計， 而這也是為什麼我們平常看到的飛機(超音速飛機除外)，它總是採用圓頭翼剖面型的原因了！

但是換個角度，如果發現在你計劃中的使用情境裡，氣流總是只會在一個設定的特定攻角吹進來的話， 那麼上面這種尖頭的弧形翼就會變成一個效果極佳的形狀。

和翼前緣的情況不同，在機翼尾端我們會想阻止下翼面的氣流翻到上翼面去， 於是所有機翼形狀的尾巴幾乎毫無例外的都做成尖尖的。

看下圖所示的幾種翼後緣形狀，如果翼後緣和前緣一樣做成大圓弧(Figure 12 左上)， 那麼下翼面的氣流就會有向上翻越的趨勢， 而下面氣流往上翻的這個趨勢，顯然對我們設計的機翼想要將氣流導引轉向向下的目的不利。 如果將翼後緣的圓弧直徑縮小(Figure 12 右上)，那麼下翼面的氣流翻越阻力就會增加， 翻越的過程會大量消耗下翼面氣流的動能，從而容易使下翼面氣流分離，就和我們前面解釋上翼面的氣流分離一樣； 不同的是上翼面的氣流分離是我們所不悅樂的，而下翼面氣流的分離卻是我們所希望的。 如果翼後緣的弧形直徑非常小，那麼下翼面氣流甚至還未完成後緣的翻越就分離了(Figure 12 左下)， 這就是為什麼機翼的後緣總是做成尖尖形狀的原因(Figure 12 右下)， 因為尖頭的形狀可不就可以看作是一個直徑無限小的圓弧嗎？

至此為止我們看的都是正向設計的機翼機翼擺出的攻角都是朝向產生升力的方向， 甚至那種帶高彎曲度的機翼也是在這樣的條件之下設計出來的形狀。 但是眾所周知，飛機也能翻過來倒飛，那麼這時機翼的流場會是什麼樣子呢？

如上圖(Figure 13 圖上)所示，對稱的機翼是正著還是倒著並沒有什麼差別； 上圖(Figure 13 圖中)則是為了正飛而設計的翼型，因此翻過來飛之後的升力效果就不太好； 但上圖(Figure 13 圖下)則是另一個極端，它偏轉氣流向下的能力不佳，尾巴還往上勾起來， 原來為了特定攻角下引導氣流的翼前緣形狀現在反而變成導致氣流分離的好發地帶， 整體產生的升力成果不佳，又讓氣流在中間彎彎繞繞增加了阻力，因此飛行效果最差！ 但無論如何，只要機翼仍然能夠導引氣流轉向，它就能產生升力， 至於產生升力的效率如何？副作用阻力如何？ 這是另外要去討論優化的問題，而與產生升力的原理無關且不矛盾。

這一切都符合我提出的解釋，也符合我們在現實世界觀察到的事實， 飛機確實可以上下倒著飛，只是倒飛時的效率不好，需要抬高更多攻角才能夠產生足夠的升力支撐飛機重量， 並且飛行阻力也會增大，因此一般飛機都只有在必要的時候才短暫的進行倒飛。

經過本文的解說，我們能夠理解一些發生在機翼上面的重要氣流現象， 明白氣流在每一個地方會受到機翼外形產生什麼樣的流動效果，以及機翼剖面形狀各個部位的形狀如何影響著氣流， 至此我們甚至有能力從無到有手搓一個全新翼型出來了！ 這樣下回當你再從哪裡看到機翼剖面形狀的時候，你就能夠看懂它， 也有能力向別人詳細解釋它的形成，和每個部份為什麼會長成那個形狀的實際原因； 至少不會再覺得翼型就是個不解的迷之形狀，透過完全不清楚的魔法來產生升力了！ 而至此也乎應了我在前篇^[1]所說： 機翼產生升力的核心原理和那個奇妙的形狀完全沒有關係，升力的真實來源在於引導氣流轉向而來， 而那個奇妙的形狀只是為了使流場更順暢、更加高效的引導氣流產生升力的最佳化調控結果。

作為一個總結，我們再一次試著回顧並濃縮本篇所講述的各項，然後嘗試自己手搓一個屬於自己的翼型吧！