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May 18, 2024
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打开车窗，风为什么从车外向车里吹？
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知乎
流体力学
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🧲科学好文
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Update：原回答的思路其实是错误的，对于引起的误导实在抱歉！当然，“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”，这点是没有错的。
如果按照伯努利方程的话，定常流动的条件要求以车为参考系来分析，所以是车内空气流速小故压强大。这一分析不仅仅是我一个人的答案，在网上搜此问题得到的答案基本都是一样的思路。但是网友@Chengu Wang指出，一篇论文《轿车开窗行驶时的气动阻力分析》里的数值模拟显示，车内空气流速虽然小，但是同时压强也低于车外。这让我深深困惑，因此这几天我自学了一下用Fluent做流体力学的模拟。自己完整地设置了所有条件，确保自己知道自己在干什么，最后得到的结果与前述论文中的相同：车内空气流速小同时压强也小。下图为 流场图和压强图：
主要参数设置：大正方形为20m*20m的盒子，中心处两块4m长的板代表开了窗的车（虽说形状简陋了一点，但是模拟结果与更复杂的几何是类似的，所以为了简单我就没有继续做复杂的形状），流体模型为K-ϵ 2 Eqn湍流模型（换成Reynold Stress 5 Eqn模型得到的结果基本相同）。左侧的边界条件是流体速度以1m/s向右流动，上下是以相同速度向右移动的无滑边界条件的墙，右侧边界条件是流出口，代表车的两条板是无滑边界条件的固定的墙。
这一结果起初让我迷惑不解。但是其实仔细分析的话，伯努利方程的成立条件里其实是要求所研究的流体无黏性的，因此伯努利方程不能用来研究湍流的情况。而在这个问题当中，如果在模拟时忽略空气黏性用层流的模型去解，计算将发散，无法得到结果，因此只能用湍流模型去求解。这也是很自然的，算一下雷诺数很容易发现即使是1m/s这种很小的速度也会让流动变成湍流。另外，伯努利原理的推导过程中用到了无旋条件，即∇×v=0，在明显有漩涡的流场中这一条件并不成立。因此这个问题里，伯努利方程的确不适用。
推而广之的话，其实日常生活中的几乎所有流体问题，都是湍流问题。但是在很多情况下，即便如此，伯努利方程却依然可以近似成立，这也就是为什么在中学时代还是有很多问题是可以用它来解释的。那到底什么时候它近似成立什么时候就根本不能用了呢？我的回答是，不知道，目前我只可以说在有旋场的情况下一定不能用。。。Wikipedia里举了一些有趣的误用伯努利原理的例子。
对于车内压强低的物理解释（十分感谢知友 @Kaiser @马拉轰 的讲解！）：这个问题中发生了边界层分离（Flow separation）现象，即车内空气流速接近于0同时产生了大量涡旋，这种情况下黏性变得十分重要，能量会在湍流过程中从大涡漩流动到小涡旋中最终在小尺度上被黏性耗散掉。因为能量的耗散，因此压强就降低了。
对于发生边界层分离的情况，之前我模拟计算时使用的模型（属于RANS (Reynolds-Averaged Navier–Stokes equations) 模型）并不一定能够准确反映流体的真实情况，此时需要用消耗资源更多的LES (Large Eddy Simulation)甚至DNS (Direct Numerical Simulation)才能够更加准确的描述此情况下的流体。
/****************以下是错误的原答案*****************/
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
里面
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：
在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。
//来自
和
来自：打开车窗，风为什么从车外向车里吹？ - physixfan的回答 - 知乎
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2018.12.14 更新
看到最近这个问题似乎又有人关注，稍微针对问题中关于参照系理解方面的疑问进行一下补充，以防有人是因为这个来才点开的问题。
如果要讨论“流体流速大则压强小”（即伯努利定律），那么我们首先要抛开开车窗这一情景（因为这一情景不适用，具体内容在分割线后的原答案中有叙述）。伯努利定律是在流体力学“大魔王”纳维-斯托克斯方程的基础上，经过近似后得到的，形如
这一公式描述了在同一根流线上，动压（由运动产生的压力， ）与静压（由流体自身的状态决定， ）的和，即总压（ ）为定值。由于我们在使用伯努利定律时，通常是用来定性，或使用皮托管定量判断流速，并且在使用中通常是对两点的动压&静压状态之差进行运算，因此参照系的选择需要根据已知的条件来确定，并不会出现题主所述的参照系方面的困惑。
换句话说，如果出现类似题主描述的参照系选择上的困惑，那么大概率是用于比较的两个点并不在同一流线上，即不适用伯努利定律
很有意思的问题，我尽量尝试用最通俗的方式解释一下，虽然不一定有人看（笑）。。。。
首先“流速大压强小”这句话在这里不适用。这句话是基于伯努利方程，即在无黏不可压的情况下，同一条流线上，动压和静压之和为总压，总压相同。“无黏不可压”在本情况下可以近似，但关键在于车内车外的气体并不来源于一个地方，换句话说可以理解为车里的呆在这里不变，车外的从远处飞过来，因此它们并不在“同一条流线”上，所以“流速大压强小”并不适用。
吉大的张英朝博士在《轿车开窗行驶时的气动阻力分析》（轿车开窗行驶时的气动阻力分析_百度学术）中，有一个很好的模拟：
上图中气流从左向右流（蓝色箭头），灰色代表车窗，白色是车体。定性地来讲，如黑色箭头所示，气流实际上是从车窗的前端（A柱附近）流出。同时由于该处气流减少，需要从车内的其他部分“补充”过来，从而在车内形成了一个涡，如红色箭头所示。如此一来，就形成了一个低压区，气流也就从车的后部流进来了。
另外关于A柱部分的低压区，正好我有一个同学在做CTCC相关的空动仿真，就管他要了个图，作为侧面的验证。赛车当然是不开窗的，不过A柱附近的流场还是有借鉴意义。
下图中红色代表静压大于大气压，蓝色代表小于。车内由于气体没有流动，静压等于大气压。由于气体会从静压大的地方流向小的地方（并不严谨，实际是静压的梯度与气体的加速度相关），因此如果车窗附近时蓝色的，就说明车内的气体会流出来。
图中的流场也符合我们的预期，车外A柱附近，流线为蓝色，即静压小于大气压。因此毫无疑问，在该处气体会从车内向车外流。另外需要注意的是，由于CTCC是封闭车窗，因此尽管整个车窗都是蓝色，也并不说明气体只出不进。如之前所说，这个模拟只是用来验证下A柱附近的流场。
通俗化的解释，肯定有不严谨的地方，望轻喷
来自：打开车窗，风为什么从车外向车里吹？ - zhxutong的回答 - 知乎
https://www.zhihu.com/question/21258390/answer/226479315
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