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空氣動力學

(流體力學的一個分支)

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空氣動力學是力學的一個分支,研究飛行器或其他物體在同空氣或其他氣體作相對運動情況下的受力特性、氣體的流動規律和伴隨發生的物理化學變化。它是在流體力學的基礎上,隨着航空工業和噴氣推進技術的發展而成長起來的一個學科。
中文名
空氣動力學
外文名
Aerodynamics
所屬學科
力學
研究內容
物體在可壓縮流體中的運動與受力

空氣動力學發展簡史

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瑞士數學家歐拉 瑞士數學家歐拉
對空氣動力學的研究,可以追溯到人類早期對鳥或彈丸在飛行時的受力和力的作用方式的種種猜測。17世紀後期,荷蘭物理學家惠更斯(Huygens)首先估算出物體在空氣中運動的阻力;1726年,牛頓(Newton)應用力學原理和演繹方法得出:在空氣中運動的物體所受的力,正比於物體運動速度的平方和物體的特徵面積以及空氣的密度。這一工作可以看作是空氣動力學經典理論的開始。1755年,數學家歐拉(Euler)得出了描述無粘性流體運動的微分方程,即歐拉運動微分方程。這些微分形式的動力學方程在特定條件下可以積分,得出很有實用價值的結果,如伯努利方程。法國力學家J.le.T.達朗貝爾在不考慮黏性影響的情況下,得到運動不受阻力的佯謬(達朗貝爾佯謬),這一結果引起了很多學者的關注,19世紀上半葉,法國的納維(Navier)和英國的斯托克斯(Stokes)提出了描述粘性不可壓縮流體動量守恆運動方程,後稱為納維-斯托克斯方程
到19世紀末,經典流體力學的基礎已經形成。20世紀以來,隨着航空事業的迅速發展,空氣動力學便從流體力學中發展出來並形成力學的一個新的分支,這一過程中馮卡門對空氣動力學的發展起了重要作用。
航空要解決的首要問題是如何獲得飛行器所需要的升力、減小飛行器的阻力和提高它的飛行速度。這就要從理論和實踐上研究飛行器與空氣相對運動時作用力的產生及其規律。1894年,英國的蘭徹斯特(Lanchester)首先提出無限翼展機翼或翼型產生升力的環量理論,和有限翼展機翼產生升力的渦旋理論等。但蘭徹斯特的想法在當時並未得到廣泛重視。
約在1901~1910年間,庫塔(Kutta)和茹科夫斯基(Zhukovski)分別獨立地提出了翼型的環量和升力理論,並給出升力理論的數學形式,建立了二維機翼理論。1904年,德國的普朗特(Plandtl)發表了著名的低速流動的邊界層理論(又名附面層理論)。該理論指出在不同的流動區域中控制方程可有不同的簡化形式。
邊界層理論極大地推進了空氣動力學的發展。普朗特還把有限翼展的三維機翼理論系統化,給出它的數學結果,從而創立了有限翼展機翼的升力線理論。但它不能適用於失速、後掠和小展弦比的情況。1946年美國的瓊斯(Jones)提出了小展弦比機翼理論,利用這一理論和邊界層理論,可以足夠精確地求出機翼上的壓力分佈和表面摩擦阻力
奧地利-捷克物理學家和哲學家恩斯特·馬赫 奧地利-捷克物理學家和哲學家恩斯特·馬赫
近代航空和噴氣技術的迅速發展使飛行速度迅猛提高。在高速運動的情況下,必須把流體力學和熱力學這兩門學科結合起來,才能正確認識和解決高速空氣動力學中的問題。1887~1896年間,奧地利科學家馬赫(Mach)在研究彈丸運動擾動的傳播時指出:在小於或大於聲速的不同流動中,彈丸引起的擾動傳播特徵是根本不同的。在高速流動中,流動速度與當地聲速之比是一個重要的無量綱參數。1929年,德國空氣動力學家阿克萊特首先把這個無量綱參數與馬赫的名字聯繫起來,十年後,馬赫數這個特徵參數在氣體動力學中廣泛引用。
小擾動在超聲速流中傳播會疊加起來形成有限量的突躍——激波。在許多實際超聲速流動中也存在着激波。在絕熱情況下,氣流通過激波流場,參量發生突躍,熵增加而總能量保持不變。
英國科學家蘭金(Rankine)在1870年、法國科學家希貢紐(Hugoniot)在1887年分別獨立地建立了氣流通過激波所應滿足的關係式,為超聲速流場的數學處理提供了正確的邊界條件。對於薄翼小擾動問題,阿克萊特(Arkwright)在1925年提出了二維線化機翼理論,以後又相應地出現了三維機翼的線化理論。這些超聲速流的線化理論圓滿地解決了流動中小擾動的影響問題。
在飛行速度或流動速度接近聲速時,飛行器的氣動性能發生急劇變化,阻力突增,升力驟降。飛行器的操縱性和穩定性極度惡化,這就是航空史上著名的聲障。大推力發動機的出現衝過了聲障,但並沒有很好地解決複雜的跨聲速流動問題。直至20世紀60年代以後,由於跨聲速巡航飛行、機動飛行,以及發展高效率噴氣發動機的要求,跨聲速流動的研究更加受到重視,並有很大的發展。
人造衞星的研製推動空氣動力學的發展 人造衞星的研製推動空氣動力學的發展
遠程導彈和人造衞星的研製推動了高超聲速空氣動力學的發展。在50年代到60年代初,確立了高超聲速無粘流理論和氣動力的工程計算方法。60年代初,高超聲速流動數值計算也有了迅速的發展。通過研究這些現象和規律,發展了高温氣體動力學、高速邊界層理論和非平衡流動理論等。
由於在高温條件下會引起飛行器表面材料的燒蝕和質量的引射,需要研究高温氣體的多相流。空氣動力學的發展出現了與多種學科相結合的特點。空氣動力學發展的另一個重要方面是實驗研究,包括風洞等各種實驗設備的發展和實驗理論、實驗方法、測試技術的發展。世界上第一個風洞是英國的韋納姆(Wenham)在1871年建成的。到今天適用於各種模擬條件、目的、用途和各種測量方式的風洞已有數十種之多,風洞實驗的內容極為廣泛。
20世紀40年代後期的風洞控制系統已由早期簡單的手控設備發展成為部分電子控制設備。60年代以來,在風洞測控技術、儀器、測量項目、種類、精度要求、計算機自動控制和記錄以及結果處理方面,都有很大的發展。模擬雷諾數的實驗也引起人們的重視。
20世紀70年代以來,激光技術、電子技術和電子計算機的迅速發展,極大地提高了空氣動力學的實驗水平和計算水平,促進了對高度非線性問題和複雜結構(如湍流)的流動的研究。
除了上述由航空航天事業的發展推進空氣動力學的發展之外,60年代以來,由於交通、運輸、建築、氣象、環境保護和能源利用等多方面的發展,出現了工業空氣動力學等分支學科。

空氣動力學分類

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通常所説的空氣動力學研究內容是飛機,導彈等飛行器在各種飛行條件下流場中氣體的速度、温度、壓力和密度等參量的變化規律,飛行器所受的升力和阻力等空氣動力及其變化規律,氣體介質或氣體與飛行器之間所發生的物理化學變化以及傳熱傳質規律等。從這個意義上講,空氣動力學可有兩種分類法:
1)根據流體運動的速度範圍或飛行器的飛行速度,空氣動力學可分為低速空氣動力學和高速空氣動力學。通常大致以400千米/小時(這一數值接近於地面1atm,288.15K下0.3Ma的值)這一速度作為劃分的界線。在低速空氣動力學中,氣體介質可視為不可壓縮的,對應的流動稱為不可壓縮流動。大於這個速度的流動,須考慮氣體的壓縮性影響和氣體熱力學特性的變化。這種對應於高速空氣動力學的流動稱為可壓縮流動
2)根據流動中是否必須考慮氣體介質的粘性,空氣動力學又可分為理想空氣動力學(或理想氣體動力學)和粘性空氣動力學。
除了上述分類以外,空氣動力學中還有一些邊緣性的分支學科。例如稀薄氣體動力學、高温氣體動力學等。

空氣動力學研究內容

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在低速空氣動力學中,介質密度變化很小,可視為常數,使用的基本理論是無粘二維和三維的位勢流、翼型理論、升力線理論、升力面理論和低速邊界層理論等;對於亞聲速流動,無粘位勢流動服從非線性橢圓型偏微分方程,研究這類流動的主要理論和近似方法有小擾動線化方法,普朗特-格勞厄脱法則、卡門-錢學森公式和速度圖法,在粘性流動方面有可壓縮邊界層理論;對於超聲速流動,無粘流動所服從的方程是非線性雙曲型偏微分方程
在超聲速流動中,基本的研究內容是壓縮波、膨脹波、激波、普朗特-邁耶爾流動(壓縮波與膨脹波的基本關係模型及其函數模型)、錐型流,等等。主要的理論處理方法有超聲速小擾動理論、特徵線法和高速邊界層理論等。跨聲速無粘流動可分外流和內流兩大部分,流動變化複雜,流動的控制方程為非線性混合型偏微分方程,從理論上求解困難較大。
高超聲速流動的主要特點是高馬赫數和大能量,這些特點是流動具有一般超音速流動所沒有的流體動力特徵和物理化學變化。在高超聲速流動中,真實氣體效應和激波與邊界層相互干擾問題變得比較重要。高超聲速流動分無粘流動和高超聲速粘性流兩大方面。
工業空氣動力學主要研究在大氣邊界層中,風同各種結構物和人類活動間的相互作用,以及大氣邊界層內風的特性、風對建築物的作用、風引起的質量遷移、風對運輸車輛的作用和風能利用,以及低層大氣的流動特性和各種顆粒物在大氣中的擴散規律,特別是湍流擴散的規律,等等。

空氣動力學研究方法

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空氣動力學的研究,分理論和實驗兩個方面。理論和實驗研究兩者彼此密切結合,相輔相成。理論研究所依據的一般原理有:運動學方面,遵循質量守恆定律;動力學方面,遵循牛頓第二定律;能量轉換和傳遞方面,遵循能量守恆定律;熱力學方面,遵循熱力學第一和第二定律;介質屬性方面,遵循相應的氣體狀態方程和粘性、導熱性的變化規律等等。
它力學分支學科

空氣動力學主要物理學分支

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