飞机尾涡：天空中的足迹
时间：2016年08月10日 来源：大飞机报视力保护色： 【字号 大 中 小】
　　
众所周知，飞机要实现飞行，首先需要获得足以抵消其重力的升力。其实升力的产生和涡的存在密不可分。流体中的涡是人们日常生活中常常可以看到的自然现象，而飞机在飞行中则会产生尾涡，不太一样的是它在空中，仿佛飞机在空中的足迹。
　　【升力和涡】
　　鸟儿为什么可以飞翔
　　
　　图为简化的机翼涡系
　　
　　图为简化的机翼马蹄涡系 资料图
　　在莱特兄弟发明飞机，人类第一次驾驶重于空气的飞行器跃离地面之前，人们就系统地研究了流体中的涡的性质，指出流体中的涡只能以两种形态存在：一种涡在其两端终止于壁面，就像水里的漩涡，终止于水面或水底。另一种状态即涡围成一个封闭的涡环，比如空中的烟圈。流体中的涡是人们在日常生活中常常可见的自然现象。
　　那么，涡与飞机飞行又有怎样的关系呢？首先向人们揭示其间密切关系的人物是英国工程师兰彻斯特（Frederick W Lanchester）。兰彻斯特不但在汽车工程领域颇有建树，而且为现代空气动力学的发展作出了重要贡献。他首先提出环量的概念，这一理论奠定了现代二维翼型理论的基础，并且他天才般地意识到鸟儿之所以可以飞行，是因为其翅膀上附着有涡的存在，并进一步抽象出了升力翼后方的涡流模型，第一次向人们揭示了伴随升力产生而会形成尾涡。这个涡也应该满足我们已知的涡的一般性质。即我们之前提到过的：对于任意涡，要么其两端终止于壁面，要么形成封闭涡环。一般来说在空中飞行的飞机自然是远离壁面的，那么我们容易想到在空中也应该有一个涡环的存在，这个涡环被工程师们抽象为上面两张图所示。
　　机翼涡环可以看成由四部分组成，其中围绕机翼的部分的涡称之为附着涡，附着涡终止于翼稍，拖出两组尾迹涡（尾涡），他们与起动涡一起形成一组封闭涡环。而起动涡一般可以认为它的位置位于机翼后方无穷远处，这样就这个涡环就变成了一组附着涡和两组延伸到无穷远处的尾迹涡组成的涡系，这就是工程师们常说的马蹄涡系。
　　尾涡可以看到吗？在研究中可以通过很多办法观察到飞机尾涡的存在，在风洞中我们可以用 粒子图像测速法（PIV）、氦气皂泡等流场可视化的方法捕捉和显示尾涡。真实飞行中我们有时可以看到细细的白线从翼梢两侧拖出，这是由于涡内的低压低温导致空气中的水蒸气凝结产生的白雾，这样的现象在潮湿的天气里更容易观察到。如果你有机会观看航空表演的话，你可以特别留意飞机在俯冲拉起的动作，因为这时候机翼产生了很大的升力，同时意味着产生了很强的尾涡。这时更容易观察到水蒸气凝结的现象，让人们可以直接观察到飞机尾涡的存在。
　　特别值得一提的是，人们有时会看到远处高空飞行的民航客机拖出的两条长长的白色尾巴，但这个一般是由发动机喷出的大量气体中的水蒸气凝结产生的，而非尾涡作用。