# 虚拟风洞 - 卡门涡街、翼型绕流、阻力升力系数在线模拟

> 浏览器里的二维格子玻尔兹曼风洞：圆柱涡街、翼型攻角、汽车和楼房绕流，可手绘障碍物，实时显示涡量、压力、烟线，算出阻力、升力系数和斯特劳哈尔数。

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- 最后更新: 2026-10-29
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这是一个在浏览器里实时运行的二维风洞：左边吹进均匀来流，用 D2Q9 格子玻尔兹曼方法（BGK 碰撞加可选的 Smagorinsky 亚格子模型）计算流场，可以看到圆柱后面交替脱落的卡门涡街、翼型上下表面的压力差、楼房背风面的回流区。你可以选预设形状，也可以直接用手指或鼠标在风洞里画任意障碍物。工具用动量交换法实时算出作用在物体上的力，画出阻力系数和升力系数随时间的曲线，并从升力振荡估算斯特劳哈尔数。

## 使用步骤

1. 选一个预设形状（圆柱、翼型、平板、汽车、楼房、双圆柱），或选空风洞自己画
2. 调整来流速度和黏度，观察雷诺数变化；翼型还可以拖动攻角
3. 切换涡量、速度、压力三种显示，打开烟线或粒子看流线
4. 在画布上按住拖动画出或擦除障碍物，看流场如何重新组织
5. 读取阻力系数、升力系数曲线和斯特劳哈尔数，对照经典实验值

## 功能特点

- D2Q9 格子玻尔兹曼求解器，带 Smagorinsky 湍流模型、出口海绵层和发散自动重置
- 七种预设：圆柱卡门涡街、NACA 2412 翼型（可调攻角）、平板、汽车、楼房、前后双圆柱
- 手绘 / 擦除任意障碍物，手机触屏可用
- 涡量、速度、压力三种彩色场，外加烟线和随机示踪粒子
- 动量交换法算受力，实时阻力、升力系数曲线与斯特劳哈尔数
- 按设备自适应每帧步数，可选网格分辨率，切到后台自动暂停

## 常见问题

### 卡门涡街是怎么形成的？

流体绕过圆柱时，表面边界层在两侧分离，形成一上一下两层剪切层。雷诺数超过约 47 后，背后的对称回流区变得不稳定，两侧涡交替卷起并脱落，顺流排成两列方向相反的涡，就是卡门涡街。每脱落一个涡，圆柱受到的升力就换一次方向，所以升力系数呈周期振荡，频率 f 满足 St = fD/U ≈ 0.2。电线在风中“唱歌”、烟囱和桥梁的涡激振动都是它造成的。

### 格子玻尔兹曼方法和一般的 CFD 有什么不同？

传统 CFD 直接离散纳维–斯托克斯方程；格子玻尔兹曼方法则模拟粒子分布函数在规则格子上的“碰撞—迁移”。每个格点只存 9 个方向的分布，碰撞是局部运算，迁移只是把数据挪到邻格，所以代码短、易并行，复杂边界（手绘障碍物）也只需把格点标成固体并做反弹。在低马赫数下，它恢复的宏观方程就是不可压缩纳维–斯托克斯方程，黏度 ν = (τ − ½)/3。

### 为什么速度要用很小的“格子单位”，最大只有 0.15？

格子玻尔兹曼本质上是弱可压缩的，误差随马赫数平方增长，格子声速是 1/√3 ≈ 0.577。来流 0.1 时马赫数约 0.17，误差可以接受；绕过尖角时局部速度会放大到两三倍，再高就会失稳。所以这里用调小黏度而不是加大速度来提高雷诺数，并设了限速护栏和自动重置。

### 算出来的阻力系数和斯特劳哈尔数准吗？

在 Re = 100、圆柱直径 16 格的验证中，本工具得到 C_d ≈ 1.68、St ≈ 0.18，经典无限域实验值约为 1.35 和 0.165。偏高主要来自风洞堵塞：圆柱占了通道高度的 1/7，侧壁把流动挤快了。粗网格、二维近似（真实高雷诺数尾流是三维的）也会带来误差，所以数值适合定性比较和教学，不能代替工程风洞。

### 翼型攻角加大时为什么升力先增后减？

小攻角时，气流贴着上表面加速，上表面压力降低，升力大致随攻角线性增加。攻角太大时，上表面的逆压梯度让边界层分离，形成大片回流区，升力下降、阻力猛增，这就是失速。本工具雷诺数只有几百到几千，比真实飞机低得多，边界层更“黏”，最大升力系数和失速角都会比教科书数据小，但趋势是一致的。

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