关于空气动力学

关于空气动力学

一．什么是空气动力学

空气动力学是力学的一个分支，它主要研究物体在同气体作相对运动情况下的受力特性、气体流动规律和伴随发生的物理化学变化。它是在流体力学的基础上，随着航空工业和喷气推进技术的发展而成长起来的一个学科。

二．空气动力学

最早对空气动力学的研究，可以追溯到人类对鸟或弹丸在飞行时的受力和力的作用方式的种种猜测。17世纪后期，荷兰物理学家惠更斯首先估算出物体在空气中运动的阻力；1726年，牛顿应用力学原理和演绎方法得出：在空气中运动的物体所受的力，正比于物体运动速度的平方和物体的特征面积以及空气的密度。这一工作可以看作是空气动力学经典理论的开始。

在航空方面：19世纪末，经典流体力学的基础已经形成。20世纪以来，随着航空事业的迅速发展，空气动力学便从流体力学中发展出来并形成力学的一个新的分支航空要解决的首要问题是如何获得飞行器所需要的举力、减小飞行器的阻力和提高它的飞行速度。这就要从理论和实践上研究飞行器与空气相对运动时作用力的产生及其规律。1894年，英国的兰彻斯特首先提出无限翼展机翼或翼型产生举力的环量理论，和有限翼展机翼产生举力的涡旋理论等。但兰彻斯特的想法在当时并未得到广泛重视。约在1901～1910年间，库塔和儒科夫斯基分别独立地提出了翼型的环量和举力理论，并给出举力理论的数学形式，建立了二维机翼理论。1904年，德国的普朗特发表了著名的低速流动的边界层理论。该理论指出在不同的流动区域中控制方程可有不同的简化形式。19世纪是流体动力学全面发展的阶段，法国工程师纳维和爱尔兰数学家斯托克斯建立了粘性流体运动方程。现代意义上的流体力学成立于20世纪初，以德国科学家普朗特创立的边界层理论为标志。普朗特开创了边界层论和有限翼展升力线理论，被称为近代流体力学和空气动力学的奠基人。1906年，俄国科学家和空气动力学家儒科夫斯基引入了环量的概念，发表了著名的升力定理，奠定了二维机翼的基础。20世纪创建了空气动力学完整的科学体系，并得到了蓬勃的发展，同时推动了代表人类最高科技水平的航空航天事业的发展。

近代航空和喷气技术的迅速发展使飞行速度迅猛提高。在高速运动的情况下，必须把流体力学和热力学这两门学科结合起来，才能正确认识和解决高速空气动力学中的问题。

1903年12月27日，莱特兄弟驾驶着自行设计制造的“飞行者一号”首次试飞成功，开创了人类使用飞行器的新纪元。其后，飞机的发展又反过来推动了空气动力学的发展。流体力学和空气动力学是众多应用科学和工程技术的基础。

航空动力学发展的目的是不断的开发新的飞机概念，成功的实现先进飞机的设计，研究设计师在经济可承受范围内精确预测气动力、力矩和载荷的工具。目前正在大力发展的计算流体力学将以突破对黏流流场的物理现象的模拟能力为重点，尤其是精确预测流动分离点和转捩过程及湍流流动。航空动力学发展研究的最终目的是成功的实现先进飞行器的研究。传统的飞机气动布局设计主要依赖于理论研究估算、设计师的经验及大量的风洞试验的结果，风动实验室主要的设计工具。当然，计算机的快速发展也起到了很大的作用。

随主动流动控制技术的进一步发展及先进推进系统、结构、材料、控制和记在电子学科方面的突破，航空飞行器将迎来崭新的变革时期，翼身融合体（BWB）飞行器、鸭式旋翼/机翼（CRW）复合飞机及变形飞机将成为21世纪典型的飞行器。

由于空气动力学的发展，人类研制出3倍声速的战斗机、超音速民航客机和载客达550人以上的超大型民航客机。使重量超达300吨，面积达三个足球场的大型民航客机，靠空气的支撑像鸟一样飞行成为可能，创造了人类技术上的奇迹。利用超高速气体动力学，物理化学流体力学和稀薄气体的研究成果，人类制造出了航天飞机，建立太空站，实现人类登月的梦想。

在车辆方面：车辆动力学是空气动力学的一个分支，主要研究汽车、火车等车辆的动力性能、行驶稳定性、操纵性和启动噪声等问题。20世纪30年代，德国和法国就开始做这方面的研究工作。随着车辆速度的提高，车辆动力学的研究逐渐受到各国主要车辆生产厂家和有关研究机关的重视，研究的结果对车型设计有重要影响。中国近年来对轿车、客车、高速列车等展开了空气动力学的实验，为改进或选择车型提供了科学依据。

汽车汽车行进时所受的两种阻力是机械阻力和空气阻力两部分。随着车速的提高，空气阻力所占的阻力迅速提高，以美国60年代所生产的轿车为例，车速为每小时60公里时，空气阻力为行驶阻力的33%--40%,车速为每小时100公里时，空气阻力为行驶阻力的50%--60%，车速为为每小时150公里时，空气阻力是行驶阻力的70%--75%。汽车空气阻力可分为（1。车型阻力即汽车外形所决定的。（2。表面摩擦阻力。（3。干扰阻力，即由于安装在车外部的零部件对气流干扰引起的阻力。（4。有拖曳涡引起的“涡阻”（5。内部气流阻力。即气流通过车内的散热器、发动机所引起的阻力。现代轿车的阻力中，车型阻力和“涡阻”约占62%，表面摩擦阻力约占9%，干扰阻力约占17%，内部阻力约占12%。缩小车辆的迎风面积，改进车身外型，减少安装在外部的零部件，将车身下部的零件合理布置或用托板封闭，均可以使空气阻力系数减少。空气阻力每减少10%，车辆燃烧消耗大约可减少5%。

空气动力学的研究主要有四个方面：（1）汽车运行时所受到的空气动力和力矩，包括举力、阻力、俯仰力矩、侧倾力矩和摆动力矩。其中举力和俯仰力矩涉及车辆操纵稳定性的研究（2）汽车运行中各部位的流场，包括雨水流的路径，污垢附着的过程和原理，风噪声和面板颤振，风挡玻璃上的作用力等。（3）发动机的冷却问题。（4）汽车内的冷却条件。

空气动力学分为实验空气动力学、理论空气动力学、计算空气动力学。空气动力学的研究方法有：实验研究、理论分析、数值计算。理论分析：建立模型-----推导方程-----求解方程-----解释结果。目前空气动力学理论研究主攻方向是湍流、流动稳定性、涡流动、复杂流动等。试验方法：相似理论------模型试验------测量------数据分析。风洞及水洞在飞行器空气动力学、汽车空气动力学等研究中发挥了重要作用。数值分析方法：即用计算机数值分析方法计算流体力学偏微分方程。计算流体力学的方法有：有限差分法、有限元法、边界元法和谱分析法等。

总结：空气动力学有飞行器空气动力学和工业空气动力学。飞行器空气动力学涉及的内容是关于飞行器在大气中飞行时的空气学动力问题。工业空气动力学有：鼓风机、涡轮机、风力发动机的气动力问题。房屋、坑道通风、高层建筑的风压。汽车、高速列车的阻力。

飞机之所以能在空气中飞行，最基本的条件是，当它在空中飞行时必须产生一种能克服飞机自身重力并将它托举在空中的力。作用在飞机上的空气包括升力和阻力两部分。升力主要靠机翼来产生，并用来克服飞机自身的重力，而阻力要靠发动机产生的推力来平衡，这样才能保证飞机在空中水平等速直线飞行。

所以说流体力学和空气动力学在推动人类社会发展和科技进步方面起到了重要作用，没有流体力学和空气动力学，现代科技的发展、工业的发展将会停滞不前。