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空氣動力學(xué)

空氣動力學(xué)求助編輯百科名片 同名書籍空氣動力學(xué)是力學(xué)的一個(gè)分支，它主要研究物體在同氣體作相對運(yùn)動情況下的受力特性、氣體流動規(guī)律和伴隨發(fā)生的物理化學(xué)變化。它是在流體力學(xué)的基礎(chǔ)上，隨著航空工業(yè)和噴氣推進(jìn)技術(shù)的發(fā)展而成長起來的一個(gè)學(xué)科。

發(fā)展簡史

最早對空氣動力學(xué)的研究，可以追溯到人類對鳥或彈丸在飛行時(shí)的受力和力的作用方式的種種猜測。17世紀(jì)后期，荷蘭物理學(xué)家惠更斯首先估算出物體在空氣中運(yùn)動的阻力；1726年，牛頓應(yīng)用力學(xué)原理和演繹方法得出：在空氣中運(yùn)動的物體所受的力，正比于物體運(yùn)動速度的平方和物體的特征面積以及空氣的密度。這一工作可以看作是空氣動力學(xué)經(jīng)典理論的開始。

1755年，數(shù)學(xué)家歐拉得出了描述無粘性流體運(yùn)動的微分方程，即歐拉方程。這些微分形式的動力學(xué)方程在特定條件下可以積分，得出很有實(shí)用價(jià)值的結(jié)果。19世紀(jì)上半葉，法國的納維和英國的斯托克斯提出了描述粘性不可壓縮流體動量守恒的運(yùn)動方程，后稱為納維-斯托克斯方程。 　　到19世紀(jì)末，經(jīng)典流體力學(xué)的基礎(chǔ)已經(jīng)形成。20世紀(jì)以來，隨著航空事業(yè)的迅速發(fā)展，空氣動力學(xué)便從流體力學(xué)中發(fā)展出來并形成力學(xué)的一個(gè)新的分支。 　　

航空要解決的首要問題是如何獲得飛行器所需要的舉力、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(shí)踐上研究飛行器與空氣相對運(yùn)動時(shí)作用力的產(chǎn)生及其規(guī)律。1894年，英國的蘭徹斯特首先提出無限翼展機(jī)翼或翼型產(chǎn)生舉力的環(huán)量理論，和有限翼展機(jī)翼產(chǎn)生舉力的渦旋理論等。但蘭徹斯特的想法在當(dāng)時(shí)并未得到廣泛重視。 　　

約在1901～1910年間，庫塔和儒科夫斯基分別獨(dú)立地提出了翼型的環(huán)量和舉力理論，并給出舉力理論的數(shù)學(xué)形式，建立了二維機(jī)翼理論。1904年，德國的普朗特發(fā)表了著名的低速流動的邊界層理論。該理論指出在不同的流動區(qū)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(jìn)了空氣動力學(xué)的發(fā)展。普朗特還把有限翼展的三維機(jī)翼理論系統(tǒng)化，給出它的數(shù)學(xué)結(jié)果，從而創(chuàng)立了有限翼展機(jī)翼的舉力線理論。但它不能適用于失速、后掠和小展弦比的情況。1946年美國的瓊期提出了小展弦比機(jī)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(jī)翼上的壓力分布和表面摩擦阻力。 　　

近代航空和噴氣技術(shù)的迅速發(fā)展使飛行速度迅猛提高。在高速運(yùn)動的情況下，必須把流體力學(xué)和熱力學(xué)這兩門學(xué)科結(jié)合起來，才能正確認(rèn)識和解決高速空氣動力學(xué)中的問題。1887～1896年間，奧地利科學(xué)家馬赫在研究彈丸運(yùn)動擾動的傳播時(shí)指出：在小于或大于聲速的不同流動中，彈丸引起的擾動傳播特征是根本不同的。

在高速流動中，流動速度與當(dāng)?shù)芈曀僦仁且粋€(gè)重要的無量綱參數(shù)。1929年，德國空氣動力學(xué)家阿克萊特首先把這個(gè)無量綱參數(shù)與馬赫的名字聯(lián)系起來，十年后，馬赫數(shù)這個(gè)特征參數(shù)在氣體動力學(xué)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(shí)際超聲速流動中也存在著激波。氣流通過激波流場，參量發(fā)生突躍，熵增加而總能量保持不變。 　　

英國科學(xué)家蘭金在1870年、法國科學(xué)家希貢扭在1887年分別獨(dú)立地建立了氣流通過激波所應(yīng)滿足的關(guān)系式，為超聲速流場的數(shù)學(xué)處理提供了正確的邊界條件。對于薄冀小擾動問題，阿克萊特在1925年提出了二維線化機(jī)冀理論，以后又相應(yīng)地出現(xiàn)了三維機(jī)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(shí)，飛行器的氣動性能發(fā)生急劇變化，阻力突增，升力驟降。飛行器的操縱性和穩(wěn)定性極度惡化，這就是航空史上著名的聲障。大推力發(fā)動機(jī)的出現(xiàn)沖過了聲障，但并沒有很好地解決復(fù)雜的跨聲速流動問題。直至20世紀(jì)60年代以后，由于跨聲速巡航飛行、機(jī)動飛行，以及發(fā)展高效率噴氣發(fā)動機(jī)的要求，跨聲速流動的研究更加受到重視，并有很大的發(fā)展。 　　

遠(yuǎn)程導(dǎo)彈和人造衛(wèi)星的研制推動了高超聲速空氣動力學(xué)的發(fā)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(jì)算方法。60年代初，高超聲速流動數(shù)值計(jì)算也有了迅速的發(fā)展。通過研究這些現(xiàn)象和規(guī)律，發(fā)展了高溫氣體動力學(xué)、高速邊界層理論和非平衡流動理論等。 　　

由于在高溫條件下會引起飛行器表面材料的燒蝕和質(zhì)量的引射，需要研究高溫氣體的多相流?？諝鈩恿W(xué)的發(fā)展出現(xiàn)了與多種學(xué)科相結(jié)合的特點(diǎn)。

空氣動力學(xué)發(fā)展的另一個(gè)重要方面是實(shí)驗(yàn)研究，包括風(fēng)洞等各種實(shí)驗(yàn)設(shè)備的發(fā)展和實(shí)驗(yàn)理論、實(shí)驗(yàn)方法、測試技術(shù)的發(fā)展。世界上第一個(gè)風(fēng)洞是英國的韋納姆在1871年建成的。到今天適用于各種模擬條件、目的、用途和各種測量方式的風(fēng)洞已有數(shù)十種之多，風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容極為廣泛。 　　

20世紀(jì)70年代以來，激光技術(shù)、電子技術(shù)和電子計(jì)算機(jī)的迅速發(fā)展，極大地提高了空氣動力學(xué)的實(shí)驗(yàn)水平和計(jì)算水平，促進(jìn)了對高度非線性問題和復(fù)雜結(jié)構(gòu)的流動的研究。 　　

除了上述由航空航天事業(yè)的發(fā)展推進(jìn)空氣動力學(xué)的發(fā)展之外，60年代以來，由于交通、運(yùn)輸、建筑、氣象、環(huán)境保護(hù)和能源利用等多方面的發(fā)展，出現(xiàn)了工業(yè)空氣動力學(xué)等分支學(xué)科。