空氣動力學

空氣動力學

空氣動力學求助編輯百科名片  同名書籍空氣動力學是力學的一個分支_它主要研究物體在同氣體作相對運動情況下的受力特性、氣體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_隨著航空工業和噴氣推進技術的發展而成長起來的一個學科.

發展簡史

最早對空氣動力學的研究_可以追溯到人類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首先估算出物體在空氣中運動的阻力；1726年_牛頓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征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_數學家歐拉得出了描述無粘性流體運動的微分方程_即歐拉方程.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.19世紀上半葉_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恆的運動方程_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_隨著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.

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_英國的蘭徹斯特首先提出無限翼展機翼或翼型產生舉力的環量理論_和有限翼展機翼產生舉力的渦旋理論等.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_庫塔和儒科夫斯基分別獨立地提出了翼型的環量和舉力理論_並給出舉力理論的數學形式_建立了二維機翼理論.1904年_德國的普朗特發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舉力線理論.但它不能適用於失速、後掠和小展弦比的情況.1946年美國的瓊期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布和表面摩擦阻力.

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征是根本不同的. 

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系起來_十年後_馬赫數這個特征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著激波.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.

英國科學家蘭金在1870年、法國科學家希貢扭在1887年分別獨立地建立了氣流通過激波所應滿足的關系式_為超聲速流場的數學處理提供了正確的邊界條件.對於薄冀小擾動問題_阿克萊特在1925年提出了二維線化機冀理論_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沖過了聲障_但並沒有很好地解決復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.

遠程導彈和人造衛星的研制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_發展了高溫氣體動力學、高速邊界層理論和非平衡流動理論等.

由於在高溫條件下會引起飛行器表面材料的燒蝕和質量的引射_需要研究高溫氣體的多相流.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復雜結構的流動的研究.

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.

關鍵詞:風阻系數