如果只是把牛吹凉,那可能得从正面吹。
这个研究在 2001 年被科学家发表于《Journal of Thermal Biology》。
研究的第一步是造一头牛——当然不是真牛,是电脑里的数字牛。
身材数据标准:长度为 2.15 米,是从鼻子到屁股的距离;宽度为 0.75 米,是肚子最宽处的尺寸;高度为 1.3 米,是从地面到背部的高度,或者高度为 1.5 米,是到头顶的高度。
他们为了省事,就把牛尾巴、牛毛这些小零件给忽略了,只把身体表面弄得光滑。因为牛毛对气流的影响不是很大,所以在建模的时候可以先将其忽略。
接着,他们借助“三维贴体坐标系”,也就是 Body-Fitted Coordinate System,简称为 BFC,为牛构建了一个模型。
有了牛,接下来得搭个“风场”让它吹。
他们在电脑中构建了一个封闭空间,其长度为 5 米,宽度为 2.5 米,高度为 1.8 米,然后将牛放置在这个空间的中间。他们把盒子入口的风速设定为 2 米每秒,这个风速大概就如同微风吹在脸上的感觉。之后他们还对不同的风速进行了尝试。
接下来,他们运用了雷诺平均纳维 - 斯托克斯方程,也就是 RANS。通过此方程来算出风的速度、压力以及乱流。然而,直接求解该方程较为困难,所以他们添加了一个 k - ε 模型,此模型专门用于处理杂乱无章的风。其中,k 代表湍动能,ε 代表湍流耗散率(公式较长,此处省略,可查看参考文献)。
风准备好了,他们开始吹牛,试了三种姿势:
还画了速度矢量图,看看风咋跑的。
图6:侧面吹,图7:牛头迎风,图8:背对风
当风速为每秒 2 米时,若正面吹风,牛头前方的风速较高,而牛身的侧面和背面会有涡流;若侧面吹风,牛身两侧的风速大致相同,后方的涡流较大;若背对风,后面的涡流会更大。
他们计算了热量损失。他们假设环境温度为 30°C,牛的体温是 38.7°C,毛的密度是 54 根每平方毫米,毛长 10 毫米。
每种朝向下,风速从 1 m/s 增加到 4 m/s 时,对流热损失会逐渐增加。并且,热损失的增幅会随着风速的增加而减小。
算下来,牛头迎风时散热最多,侧面吹次之,背对风最少。
风速当然越大越好了……
如果要把牛吹上天呢?
Robin Bornoff 撰写了一篇博客,在这篇博客中,他使用 FloEFD 对一头牛在风洞中被风吹的情况进行了模拟,以查看这头牛是否能够飞起来。[2]
模拟过程省略,选择了从正面吹和背面吹两种:
结论是,在正面吹的情形下,如果风速达到每小时 1000 公里,那么牛就会被吹飞。
如果一头牛以每小时 1000 公里的速度奔跑,那么它将会起飞。
参考