流体力学的应用

流体力学在航空航天工程中的应用

(洪渊，西安科技大学，能源学院采矿工程卓越1301班，1303110113)

摘要：航天航空工程综合了最新最高的现代科学与技术，是一个国家科技实力和国防现代化的重要标志之一，更是目前世界各国之间争相研究发展的顶尖科技产业，它直接关系到国家的安全和经济的发展。随着科学技术的进步和航天器的发展，遥远而深邃的宇宙已不再可望而不可及，飞天早已不再是无稽之谈。在20世纪对人类影响最大的20项技术中就包括航空航天技术，流体力学的发展对航空航天科技的发展起到了关键性的作用，而这些看似离我们非常遥远的高薪技术其实其基本原理无时无刻不伴随我们。因为我们身边有各种流体的存在。

关键词：航空航天技术、流体、流体力学

Application of fluid mechanics in Aerospace Engineering (Hong Yuan, Xi'an University of Science And Technology, the Institute of

mining engineering excellence 1301, 1303110113)

Aerospace Engineering integrated the latest modern science and technology, is a national science and technology strength and the important symbol of the modernization of national defense, but also the world's top scientific and technological industry, which is directly related to the national security and economic development. With the development of science and technology and the progress of the spacecraft, as remote and profound universe is no longer inaccessible and, flying already no longer is nonsense. In twentieth Century the greatest impact on human beings in the 20 technologies, including aerospace technology, the development of fluid mechanics to the development of Aerospace Science and technology has played a key role, and these seemingly away from us very far from the high paying technology in fact its basic principles are not accompanied by us. Because we have all kinds of fluid in the presence of.

Key words: aerospace technology, fluid, fluid mechanics

1.1 国内外航空航天技术的发展历史

人类的航空航天的历史，可以追溯到很久以前，甚至连古人用的石头和矛、到古希腊阿尔希塔斯所制造的机械鸽、远至澳大利亚的飞去来器、中国的孔明灯和风筝都有关系。至于真正的飞，早在古希腊神话中的伊卡洛斯是一个能够飞的人、中国的元黄头、欧洲的降落伞和一名穆斯林阿巴斯·卡希姆·伊本·弗纳斯的滑翔飞行，都是人类想飞的表现。到了15世纪，达·芬奇的仆人曾用模仿鸟的翅膀制成扑翼机做飞行试验，但飞不起来，还因此摔断了一条腿。近代航空史的开端是在1783年11月21日，孟格菲兄弟所设计的热气球进行了第一次载人飞行实验。但当时的热气球的实用性很低，因为它只能够顺风飞行，受到风向的限制，于是便需要一款能够操控的飞艇。让-皮埃尔·布兰乍得在1784年将一个手动螺旋桨安装到了气球上，在1785年成功利用气球横渡英吉利海峡。后来更发展出不同类型的飞艇，1852年的亨利·吉法尔制造了首架由动力驱动的飞艇，1896年大卫·舒瓦兹所设计的飞艇以及1901年阿尔贝特.桑托斯.杜蒙特驾驶飞艇完成环绕埃菲尔铁塔一周。

纵使当时有众多飞行器能够飞行，但普遍认为1903年12月7日莱特兄弟所制造并成

功飞行的飞行器是现代飞机的先驱者，不过他们的飞行器仍有许多问题留下来。飞机经过11年的改良之后，第一次世界大战爆发，使飞机的用途改变了，主要负责侦察、轰炸甚至进行地面攻击。飞机变得更大更可靠，有些更用来商业载客。至于飞艇方面，大型的硬式飞艇成为了当时高载客量及载货量的空中交通工具，它能够载乘客及货物进行长途飞行，其中最著名的便是德国的齐柏林公司。齐柏林公司最成功的飞艇是齐柏林伯爵号。它总共飞行超过一百万英里，包括1929年8月的环球飞行。不过，齐柏林公司的“黄金时代”在1937年6月6日终结，飞艇被航程只有数百英里的飞机所取代，这是基于兴登堡号的坠毁，造成36人死亡。纵使飞艇仍有顾客光顾，但属于它的时代已经终结了。1920至30年代是航空史上的一大进步，例如1927年查尔斯·林德伯格成功横渡大西洋。而当时最成功的飞机便是道格拉斯公司的DC-3，它的高载客量令航空公司有利可图，为航空史写下新一页。而在第二次世界大战期间，不少城市都兴建了机场。战争令航空科技进步，而世界上首枚火箭和喷射机也是在战争时期开发的。

战后，航空界出现了巨大转变，不少飞机用作商业或私人用途，大量退役战机机师和军机投入民航服务，这情况在北美洲最为明显。飞机制造商如塞斯纳等都扩大其生产规模，生产更多中小型飞机。在50年代，德·哈维兰公司所制造的彗星飞机成为了首架民航喷射机，而波音707则成为首款被广泛使用的民航喷射机，而螺旋桨飞机的角色能转为服务一些低客量的航线。

1961年4月12日，尤里·加加林成为首个能够飞上太空的人，而在1969年7月21日，尼尔·阿姆斯特朗则成为首个登陆月球的人。而在60年代开始，人们发现用复合材料制造的飞机比传统的更宁静、更具燃油效益和更适合，但更富进步性的是飞机仪器及飞控技术的改良，出现了GPS、晶体管、通信卫星、电脑和

LED显示器，这些科技使驾驶舱里的仪器得以减少，节省空间，对较小型的飞机有极大帮助，飞行员除了能够准确地驾驶飞机，还能够准确地观察地形和飞机周围的环境。在1969年首款大量投入服务的超音速和谐式客机首航，它的飞行速度高达2马赫，比一般民航机快一倍，成为当时最快的空中交通具之一。1999年11月20日～21日，中国载人航天工程第一艘“神舟”无人试验飞船飞行试验获得了圆满成功。2001年初至2002年底又相继研制并发射成功了神舟2～4号无人试验飞船，获得了宝贵的试验数据，为实施载人航天打下了坚实的基础。神舟－5飞船是在无人飞船基础上研制的中国第1艘载人飞船，乘有1名航天员，在轨运行1天。整个飞行期间为航天员提供必要的生活和工作条件，同时将航天员的生理数据、电视图像发送地面，并确保航天员安全返回。是中国航天事业在新世纪的一座新的里程碑。

1.2流体力学的发展历程

流体力学的研究和其他自然科学研究一样，是随着生产的发展需要而发展起来的。在古代，如我国的春秋战国和秦朝时代，为了满足农业灌溉需要，修建了都江堰、郑国渠和灵渠，对水流运动的规律已有了一些认识。在古埃及、古希腊和古印度等地，为了发展农业和航运事业，修建了大量的渠系。古罗马人为了发展城市修建了大规模的供水系统，也对水流的运动规律有了一些认识。当然，应当特别提到的是古希腊的阿基米德，在公元前250年左右提出了浮力定律，即阿基米德定律，一般认为是他奠定了流体力学的基础。

到了17世纪前后，由于资本主义制度的兴起，生产迅速发展，对流体力学的发展需要也更为迫切。这个时期的流体力学研究出现了两条途径，这两条发展途径互不联系，各有各的特色。一条是古典流体力学途径，它运用严密的数学分析，建立流体运动基本方程，并力图求解。此途径的奠基人是伯努力和欧拉，对古典流体力学的形成和发展有重大贡献的还有拉格朗日、纳维尓、斯托克斯和雷诺等人，他们多为数学家和物理学家。由于古典流体力学中某些理论的假设与实际有出入，或者由于对基本方程的求解遇到了数学上的难题，所以古典流体力学无法用于解决实际问题。在水力学上有卓越成就的工程师，包括毕托、蔡西、文丘里、达西、曼宁、费砍得等人。但是这一时期的水力由于理论指导不足，仅仅依靠实验，因此在应用上有一定的局限性，难以解决复杂的工程问题19世纪末到20世纪，随着生产规模的不断扩大，技术更为复杂，仅靠理论分析或实验研究已很难解决工程技术中复杂流体力学问题，这促使他们紧密切合起来，在此时期我国杰出科学家代表钱学森提出了平板可压缩层边界层的解法－－卡门-钱学森解法。他在空气动力学、航空工程、喷气工程、工程控制论等技术科学领域做出重要贡献。

20世纪初，飞机的出现极大地促进了空气动力学的发展。航空事业的发展，期望能够揭示飞行器周围的压力分布、飞行器的受力状况和阻力等问题，这就促进了流体力学在实验和理论分析方面的发展。20世纪初，以茹科夫斯基、恰普雷金、普朗特等为代表的科学家，开创了以无粘不可压缩流体位势流理论为基础的机翼理论，阐明了机翼怎样会受到举力，从而空气能把很重的飞机托上天空。机翼理论的正确性，使人们重新认识无粘流体的理论，肯定了它指导工程设计的

重大意义。机翼理论和边界层理论的建立和发展是流体力学的一次重大进展，它使无粘流体理论同粘性流体的边界层理论很好地结合起来。随着汽轮机的完善和飞机飞行速度提高到每秒50米以上，又迅速扩展了从19世纪就开始的，对空气密度变化效应的实验和理论研究，为高速飞行提供了理论指导。20世纪40年代以后，由于喷气推进和火箭技术的应用，飞行器速度超过声速，进而实现了航天飞行，使气体高速流动的研究进展迅速，形成了气体动力学、物理-化学流体动力学等分支学科。

20世纪以来，流体力学和其他学科相互渗透，形成了许多边缘学科，使流体力学发展成新的科学体系。主要包括:磁流体力学、化学液体力学、稀薄气体动力学、黏性流体力学、多相流体力学、水动力学、渗透力学、非牛顿流体力学、地球流体力学、计算流体力学等。

2.1流体留学基本理论指导飞机机翼设计

机翼是提供升力的主要部件，其阻力占飞机总阻力的一半以上，而其部件如翼梢小翼、发动机、增升装置、翼根整流等的气动设计都与机翼直接相关，这些都是机翼气动设计的主要内容。在大型飞机的研制过程中，机翼气动设计和优化是一项基础任务。如何实现气动与结构、部件与全机的综合考虑，如何满足气动上对设计点与非设计点、高速与低速、气动力与气动力矩兼顾的工程需要，这些都是气动设计所要解决的难点问题。机翼巡航构型的几何扭转主要是从改善气动特性上来考虑的，几何扭转分布必须使巡航阻力不太大，并且有利于改善失速特性。翼根剖面的几何扭转角又称为机翼的安装角。从气动上来说，飞机在巡航飞行时使机身处于最小阻力姿态是很重要的，并且从乘客舒适性的角度考虑，座椅倾角不能太大。采用绕前缘扭转并具有较大的内翼扭转范围，这样可以增大内翼升力载荷，降低起落架支柱高度，增大发动机离地面距离。

气动设计核心问题和优化方法所带来的适用性问题。CFD 技术在大飞机设计上的核心问题就是布局优化，而阻力预测的精度意义尤为重要，涉及到流场激波、流动粘性、流动分离、气动干扰等一系列复杂的非线性流动问题，这些都直接影响到飞机最终的真实气动特性。飞机气动外形的设计面临着越来越多、越来越高的要求与约束，设计过程中将面临更多的矛盾，设计空间受到越来越多的限制。因此，气动外形优化设计需要能够满足精细化、多学科、多目标的设计要求。

传统飞机设计发展到今天取得的重大进步，突出地表现在两个方面：设计周期和设计精细程度。由于对飞机性能和燃油效率的要求提高，气动设计问题已经变得更加复杂，以数值分析为主要手段的气动设计需要考虑更多的影响因素，但是对不同学科或者同一学科不同侧重点的考虑都可能造成相反的影响，因此在设计时应遵循一定的设计准则。根据超临界翼型和跨音速后掠翼气动特性，高巡航效率（即阻力蠕增小、设计点升阻比大、阻力发散马赫数高）机翼气动设计可参考的设计准则有最小诱导阻力准则、巡航状态下最低波阻准则、上翼面直等压线

准则、抖振边界要求准则、纵向稳定性准则等等，同时还需要考虑非设点气动特性变化、低速失速特性、机翼几何要求等因素。

2.2航空航天工程未来展望

一个国家的航空航天的发展离开广大的人民群众，更离不开世界各国航空航天领域的高级知识人才的努力，国家有关部门应该普及航空航天知识，传航空航天事业，动员社会各界力量支持航空航天事业的发展。随着我国社会主义市场经济体制的初步建立和不断完善，通过宏观调控引导中国航空航天活动的发展方向，推动航空航天领域中重大技术的研究开发和系统集成，促进航空航天科技在经济、科技、文化和国防建设等方面的应用，深化航空航天科技工业的改革，实现航空航天事业的持续发展。我相信我国的航空天航天会有一个光明的未来！也相信世界航天工程的业绩会在流体力学的发展下迈上另一个高的台阶，为世界人民的生产生活做出贡献。

3.总结

航空航天事业的发展影响着一个国家的国防力量，现代化的国防高科技航空武器是每个国家必备的战略型武器装备，是战争中实行战略性打击的主要手段，例如伊拉克战争中美国使用的战略型轰炸机在战争中的制空和杀伤力是有目共的。同样，航天事业的发展对人们日常生活同样有巨大的影响，例如由播音、空客等世界著名客机研发公司研发的大型客机给民航产业带来的巨大影响，使得民众的出行极为方便。这些都是流体力学发展所产生的必然结果。

参考文献

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