未来航空空气动力学的发展(精)
流体力学与空气动力学
流体力学与空气动力学流体力学与空气动力学是研究流体运动规律和空气在运动中所受力学影响的学科。
流体力学是力学的一个重要分支，研究流体的运动规律和性质，包括液体和气体。
而空气动力学则是流体力学的一个特殊领域，专门研究空气在运动中所受的力学影响，尤其是在飞行器设计和空气动力学性能方面的应用。
本文将从流体力学和空气动力学的基本概念、应用领域以及未来发展趋势等方面进行探讨。
一、流体力学基本概念流体力学是研究流体静力学和流体动力学的学科。
流体静力学研究静止流体中的压力分布和力的平衡条件，而流体动力学则研究流体在运动中的力学性质。
流体包括液体和气体，其特点是没有固定的形状，能够流动并填充容器。
流体力学的基本方程是连续性方程、动量方程和能量方程，通过这些方程可以描述流体的运动规律和性质。
在流体力学中，流体的运动可以分为层流和湍流两种状态。
层流是指流体沿着流线有序地流动，流速分布均匀，流线间没有明显的交错和混合现象；而湍流则是指流体运动呈现混乱、不规则的状态，流速分布不均匀，流线间有交错和混合现象。
湍流状态下流体的阻力较大，能量损失也较多，因此在工程实践中需要尽量减少湍流的发生，以提高系统的效率和性能。
二、空气动力学基本概念空气动力学是研究空气在运动中所受的力学影响的学科，是流体力学的一个重要分支。
空气动力学主要应用于飞行器设计、空气动力学性能分析、空气动力学实验等领域。
在空气动力学中，流体的密度、速度、压力等参数对飞行器的飞行性能有着重要影响，因此需要通过数值模拟、实验测试等手段来研究和分析空气动力学性能。
空气动力学的基本方程包括连续性方程、动量方程和能量方程，通过这些方程可以描述空气在运动中所受的力学影响。
在飞行器设计中，空气动力学性能是一个重要的考虑因素，包括升力、阻力、侧向力等参数的计算和优化，以确保飞行器具有良好的飞行性能和稳定性。
三、流体力学与空气动力学的应用领域流体力学与空气动力学在工程领域有着广泛的应用，涉及航空航天、汽车工程、船舶工程、建筑工程等多个领域。
飞行器设计中的空气动力学与气动力控制
飞行器设计中的空气动力学与气动力控制作为现代交通工具的重要组成部分，飞行器的设计和控制涉及的科学知识相当广泛而深入。
其中，空气动力学和气动力控制是两个非常重要的方面。
在飞行器的设计和生产过程中，空气动力学和气动力控制的理论和实践运用将起到至关重要的作用。
一、空气动力学的基本知识和相关理论在飞行器设计中，空气动力学是一个非常重要的学科。
它主要研究物体在空气中运动时所产生的力学现象。
空气动力学相关理论包括不可压缩流、可压缩流、风力学等方向。
在飞行器的设计和飞行过程中，空气动力学的重要性体现在以下几个方面：1.气动力性能：气动力性能是指飞机在不同运动状态下所产生的力和力矩。
在设计飞行器时，需要通过计算机模拟等手段来获得气动力性能时间，进而对飞机进行优化设计。
2.气动特性：气动特性是指飞机在空气中运动时所产生的一系列物理现象。
包括升力和阻力的变化、动压与静压的变化、气流紊流等。
3.空气动力力学设计：在设计飞行器时，空气动力力学设计是一个非常重要的环节。
它涉及气动受力模型的建立、计算方法的验证等方面，是实现飞行器稳定、安全、高效运行的基础。
二、气动力控制的相关实践气动力控制是指利用飞机的机动表现，控制和调节飞机姿态和运动状态的一种方法。
它可以通过飞机自身的动力系统或机械和电子设备等传动系统来实现。
气动力控制的实践应用很广泛，其中几个主要的方向如下：1.自动驾驶系统：自动驾驶系统是一种利用计算机或机器人等设备，通过控制设备对飞机进行机动操作，以实现自动驾驶的一种方法。
在飞行器设计中，自动驾驶系统是一个非常重要的实践应用方向。
2.空气动力控制系统：空气动力控制系统是指通过飞机自身受力，对飞机进行姿态调节和运动状态控制的系统。
它包括飞机操纵面的设计与控制以及对空气动力力学性能的调整。
3.动力分配和平衡系统：动力分配和平衡系统是指对飞机动力系统进行控制和调整，以保障飞机的稳定运行和高效能表现。
这种系统可以在飞行中根据环境状况和机群状况，进行动态的调整和决策。
空气动力学
空气动力学崔尔杰*(中国航天科技集团第701研究所)本文简要回顾空气动力学发展的历史及其在航空航天飞行器研制中的作用，对现代空气动力学新的发展趋势和新一代航天飞行器研制中可能遇到的关键气动力问题进行探讨和分析，并对今后发展提出看法。
一、 空气动力学与航空航天飞行器发展空气动力学是研究空气和其他气体的运动规律以及运动物体与空气相互作用的科学，它是航空航天最重要的科学技术基础之一。
1． 空气动力学推动20世纪航空航天事业的发展1903年莱特兄弟研制成功世界上第一架带动力飞机，实现了人类向往已久的飞行梦想。
为了研制这架飞机，他们进行过多次滑翔试验，还为此建造了一座试验段为0.01m 2的小型风洞。
正是这些努力，加上综合运用早期的空气动力学知识，最终获得了成功。
20世纪初，建立在理想流体基础上的环量和升力理论以及普朗特提出的边界层理论奠定了低速飞机设计基础，使重于空气的飞行器成为现实。
40年代中期至50年代，可压缩气体动力学理论的迅速发展，以及对超声速流中激波性质的理论研究，特别是跨音速面积积律的发现和后掠翼新概念的提出，帮助人们突破“音障”，实现了跨音速和超音速飞行。
50年代中期，美、苏等国研制成功性能优越的第一代喷气战斗机，如美国的F-86、F-100，苏联的米格-15、米格-19等。
50年代以后，进入超音速空气动力学发展的新时期，第二代性能更为先进的战斗机陆续投入使用，如美国的的F-4、F-104，苏联的米格-21、米格-23，法国的幻影-3等。
1957年苏联发射第一颗地球人造卫星和1961年第一艘载人飞船“东方号”升空，被认为是空间时代的开始。
美、苏两国在战略导弹和航天器发展方面的激烈角逐，促使超音速和高超音速空气动力学得到迅速发展。
两个超级大国都投入巨大力量，致力于发展地面模拟设备，开邻近高超出音速空气动力学和空气热力学的研究。
航天方面的研究重点放在如何克服由于高超音速飞行和再入大气层，严重气动加热所引起的“热障”问题上在钱学森先生倡导下诞生了一门新的学科，即物理力学，为航天器重返大气层奠定了科学基础。
空气动力学
空气动力学空气动力学，又称为空气力学，是研究空气在物体表面流动产生的作用力及其变化规律的学科。
它是研究航空、航天等领域中的重要基础工程学科。
本文将从空气动力学的基本理论、应用及发展前景三个方面进行讲解。
一、空气动力学的基本理论1. 流体运动基本方程空气动力学研究空气在物体表面流动产生的变化规律，因此，必须首先了解流体运动的基本方程。
流体运动基本方程可分为三个方程，分别是连续性方程、动量守恒方程和能量守恒方程。
这三个方程讲述了液体或气体在运动过程中物质守恒、动量守恒和能量守恒的基本现象。
在空气动力学中，常常将连续性方程和动量守恒方程一起表示为Navier-Stokes方程组。
2. 边界层理论在空气动力学中，物体表面与空气之间的接触面形成了一个边界层。
边界层内的流动速度由于摩擦力的作用而降低，流速梯度迅速增大，流动变得非常不规则。
由于流动不规则，导致边界层内的流动无法用Navier-Stokes方程组解析，因此需要采用边界层理论来描述边界层内的流动。
边界层理论主要包括两个关键概念：边界层厚度以及失速现象。
边界层厚度是指从物体表面开始，空气流动速度下降到1/99最大速度时，空气的流动状态转变为虫状流动的距离。
失速现象是指在边界层内由于压力梯度过大，空气流速超过速度极限而失速的现象。
3. 升力和阻力在飞行器运行的过程中，除去重力，另一重要的作用力就是空气对于飞行器的阻力和升力。
升力是指飞行器在空气中的上升力，阻力是指飞行器在空气中的阻碍力。
升力和阻力的作用机理采用了符合空气动力学规律的气动力学原理，美国为普朗克方程，德国为刘第二定理。
二、空气动力学的应用空气动力学是应用广泛的工程学科，主要应用于航空、航天、汽车、风力发电等领域。
下面介绍空气动力学在航空和航天领域的应用。
1. 飞行器气动特性飞行器的气动特性是指飞行器在空气中运动时，受到空气动力学作用的特性。
通过空气动力学实验和数值模拟，可以研究气动特性的各种参数，如阻力、升力、升力系数等。
空气动力学在航空领域的应用研究
空气动力学在航空领域的应用研究在当代社会，航空技术的发展已经成为了人们生活中不可或缺的一部分，而伴随着人类探索天空的步伐不断加速，对空气动力学的研究和探索也越来越深入。
空气动力学是航空航天技术中的重要一环，对飞机的飞行稳定性、燃油耗费、升力等方面都有着非常重要的影响。
一、空气动力学的基础概念空气动力学是物理学和工程学相结合的科学，它的主要研究对象就是空气在物体表面产生的各种力、压力以及涡旋。
空气动力学研究的目的是探索并发掘空气对各类物体的作用规律，然后利用这些规律去优化设计并提高性能。
简单来说，空气动力学探究的是空气力学、流体力学等科学基础上的问题，以及相应的理论知识。
根据这些理论，科学家们探索出各种模拟、试验和计算方法，从而建立了一套完整的理论体系。
二、空气动力学在飞机设计中的作用在飞机设计的各个环节中，包括气动弹性、翼面形状等等，都离不开空气动力学的研究。
它对飞机提高飞行效率、减少阻力以及气动噪声等方面都有相当重要的作用。
在航空领域中，空气动力学通过设计各种气动模型，以及模拟试验等方法去研究飞机的气动特性，站在这个角度，空气动力学实际上是航空设计的“基石”。
例如，飞机设计中最基础的气动模型 -- “平板”在大多数试验中都是一个必须的工具。
由于平板研究的气动特性主要由变量数量、气体密度、物体大小以及运动状态等因素影响，因此，当我们通过试验和仿真分析获得了平板的数据以后，便可以进一步设计和构建更为复杂的模型了。
三、空气动力学对飞机的影响1. 影响飞机起飞和着陆飞机完全依靠气压才能完成起飞和降落，在飞行过程中扮演着重要角色的是飞机的气动形态，尤其是翼型。
当飞机在地面滑行时，舵面起到了调整飞行姿态的作用。
而当飞机到达升空阶段时，翼型将会在空气的作用下产生升力，从而使飞机离开地面。
2. 降低飞机阻力在飞机高速飞行时，飞机受到的空气阻力会愈来愈大，同时翼型底部的气流也会从后面向前推压到翼型上部，将空气压紧，从而增加了升力的大小。
飞行器空气动力学研究的最新进展
飞行器空气动力学研究的最新进展在现代技术快速发展的背景下，飞行器空气动力学研究一直是工程学的重要领域。
从航空工业在二战时期的起步，到现在民航和商业航空技术的发展，空气动力学一直扮演着重要的角色。
而随着各种行业对飞行器的要求越来越高，对空气动力学研究的要求也越来越迫切。
在这篇文章中，我们将探讨飞行器空气动力学研究的最新进展。
一、基础理论的突破基础理论研究是空气动力学研究的重要组成部分，其突破也是空气动力学发展的基础。
在最近的研究中，不仅在气动力学基础知识的教育方面做了大量的工作，更是在基础理论的研究方面进行了突破。
例如，在气动力学中常用的流体力学定律——纳维-斯托克斯方程式，由于其极其复杂的形式，一直被认为是不可解的问题。
但是，最近的研究表明，可以利用近似方法，对纳维-斯托克斯方程式进行近似求解，这一方法被称为“梁族方程式”。
同时，结合计算流体力学的研究，空气动力学所需要的理论工具与计算方法也得到了更为强有力的提升，这些工具和方法为当前飞行器的研究和设计提供了支持。
二、计算方法的发展计算方法在当前研究中的重要性不容忽视。
指导当前研究的计算机模拟技术的发展程度，已经把全球引向一个量子跃进的技术时代。
目前，计算机模拟技术已经成为解决流体动力学中各种问题的重要方法。
例如，测试各种飞机型号在高速和极端条件下的性能，以及节省设计和试验成本的手段。
这样，可以确保设计的飞机能够达到最佳状态，避免在实际的工作中遇到各种困难。
目前，在飞行器空气动力学研究中使用的计算机模拟技术主要有两种：计算流体动力学（CFD）和计算结构动力学（CSD）。
这两种方法可以相互协同，解决设计中各种复杂的问题。
三、实验技术和装备的提升实验技术和装备是飞行器空气动力学研究的另一重要组成部分。
通过对实验室和本体试验的不断改进和升级，飞行器空气动力学研究能够直接、精确地测试其理论预测和解释。
近年来，随着实验技术和装备的提升，各种实验条件也得到了改进。
空气动力学发展简史及展望
２世 纪 ７年 代 以来 ，激 光技 术 、 电子技 术和 电子计 算机 的迅 速 发展 ， ０ Ｏ 很 快提 高 了空 气动 力 学的 实验 和 计算 水 平 ，使 对 高度 非线 性 问题 和 复杂 结
构 的流动 的研 究迅 速 升温 了 。
除 了上 述 由航 空航天 事 业的发 展 推进 空气 动力 学 的发展 之外 ， ６年 代 Ｏ 以来 ， 由于交 通 、运 输 、建 筑 、气 象 、环 境保 护和 能 源 利用 等 多方 面 的发
动 力技 术 及新成 果 ，就 无法 实现 未来 军 、 民机 的高性 能 。
参考文献： ［］ １徐华舫 ， 《 空气动 力学基础 ，北京：北京航空学院出版社，１ ７ ９８ ［］ ２ 陈再 新， 《 空气动 力学》，北京：航空工业出版社，１ ９ ． ９３ 作者简介： 边 若鹏 （ ９ ５ ），男 ，海 军驻保 定地区航 空军事代 表室，研究 方 向：螺 １７－
空气 动力 学是 力学 的衍 生支 派 ，它 着重 探索 物 体在 与气 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 。空 气动 力 学 很 重要 ，这一 点 很 多人 应 该都 知道 。特 别 是 当我 们 越开 越 快 的时 候 。如 果你 不信 在 当今 的遥控 车 比赛 中 ，你 可 以试 试 不用 车 壳裸 跑 ，就 会 看 到很
的设 计 中，它 都 是一个 非 常重 要 的工 具 。航 空空 气动 力 学 发展研 究 的最 终 目的是 成 功 地 实 现先 进 的飞 行 器 设计 。传 统 的飞 机气 动 布 局设 计 主要 依赖 理论 研 究 估 算 、设计 师 的经验 以及 大量 的 风洞 试验 结果 ，风 洞试 验是 主要 设 计工 具 。 伴 随主动 流动 控制 技 术 的逐步 研 究和探 索 以及先 进推 进 系统 、结 构 、 材料 、控 制和机 载 电子学 科 方面 的突 破 ，航 空 飞行 器将 面 临新 的 变革 期 ，
空气动力学
空气动力学崔尔杰*(中国航天科技集团第701研究所)本文简要回顾空气动力学发展的历史及其在航空航天飞行器研制中的作用，对现代空气动力学新的发展趋势和新一代航天飞行器研制中可能遇到的关键气动力问题进行探讨和分析，并对今后发展提出看法。
一、空气动力学与航空航天飞行器发展空气动力学是研究空气和其他气体的运动规律以及运动物体与空气相互作用的科学，它是航空航天最重要的科学技术基础之一。
1．空气动力学推动20世纪航空航天事业的发展1903年莱特兄弟研制成功世界上第一架带动力飞机，实现了人类向往已久的飞行梦想。
为了研制这架飞机，他们进行过多次滑翔试验，还为此建造了一座试验段为0.01m2的小型风洞。
正是这些努力，加上综合运用早期的空气动力学知识，最终获得了成功。
20世纪初，建立在理想流体基础上的环量和升力理论以及普朗特提出的边界层理论奠定了低速飞机设计基础，使重于空气的飞行器成为现实。
40年代中期至50年代，可压缩气体动力学理论的迅速发展，以及对超声速流中激波性质的理论研究，特别是跨音速面积积律的发现和后掠翼新概念的提出，帮助人们突破“音障”，实现了跨音速和超音速飞行。
50年代中期，美、苏等国研制成功性能优越的第一代喷气战斗机，如美国的F-86、F-100，苏联的米格-15、米格-19等。
50年代以后，进入超音速空气动力学发展的新时期，第二代性能更为先进的战斗机陆续投入使用，如美国的的F-4、F-104，苏联的米格-21、米格-23，法国的幻影-3等。
1957年苏联发射第一颗地球人造卫星和1961年第一艘载人飞船“东方号”升空，被认为是空间时代的开始。
美、苏两国在战略导弹和航天器发展方面的激烈角逐，促使超音速和高超音速空气动力学得到迅速发展。
两个超级大国都投入巨大力量，致力于发展地面模拟设备，开邻近高超出音速空气动力学和空气热力学的研究。
航天方面的研究重点放在如何克服由于高超音速飞行和再入大气层，严重气动加热所引起的“热障”问题上在钱学森先生倡导下诞生了一门新的学科，即物理力学，为航天器重返大气层奠定了科学基础。
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未来航空空气动力学的发展
空气动力学的每一个新的发现或突破都会导致飞行器性能的提高和更新换代。
第一次世界大战期间,俄国科学家茹科夫斯基提出的不可压翼型升力公式奠定了飞机设计的基础。
第二次世界大战以来,高速空气动力学,包括可压缩空气动力学的理论和实验的研究成果(如面积律及后掠翼概念的提出,最终保证了X-1成功突破音障,并推动了一系列超声速飞行器的发展和更新换代。
20世纪60年代至今的40多年间,由于分离流和漩涡动力学方面的研究成果以及脱体涡非线性空气动力学的应用,飞机的失速临界迎角和最大升力系数大大增加,从而使战斗机性能显著提高,实现了更新换代。
同时在民机领域,超临界翼型、多种形式的前后缘襟翼和翼梢小翼等的应用也导致了民机的快速更新换代。
先分析一下F-22战斗机及第三代喷气式客机的性能及其相关先进气动技术。
F-22,世界上第一种也是目前唯一一种投入使用的第四代超声速战斗机。
它所具备的"超声速巡航、超机动性、隐身、可维护性"(即所谓的S4概念,也有资料将"短距起落"包含在内,称为S5成为第四代超声速战斗机的划代标准。
超声速巡航的实质是通过先进的气动设计,大幅降低超声速零升阻力系数,提高超声速升阻比,结合大推力低油耗发动机,使飞机在不开加力的情况下实现长时间的超声速飞行。
超机动性,主要就是指过失速机动性。
良好的大迎角飞行品质和有效的控制手段是过失速机动性的两大基础,而这两大基础的技术依靠就是大迎角空气动力学和先进的控制系统。
一般战斗机在迎角超过30°时就会产生俯仰发散、抖振、失速、不可控横航向运动等一系列问题,而F-22可以保持迎角在-40°~60°飞机的可控性,这都得益于其优良的气动布局。
隐身性能,即低可探测性。
据报道,F-22的雷达散射截面积(RCS沿主要方位约为0.08~0.065m2,这主要得益于先进隐身材料和气动隐身设计。
F-22是通过以下方面在气动上实现上述性能的:
(1采用翼身融合体,带内部武器舱。
(2修改的菱形机翼,具有等弦长的全翼展前缘襟翼、等弦长副翼和襟副翼,这种机翼具有良好的结构效率,并可获得较大的内部油箱;相当大的机翼面积有利于飞机在短距起飞和着陆时具有良好的机动性;机翼后缘还可以遮蔽部分
机身的雷达反射。
(3选择四尾翼布局,包括倾斜的双垂尾、等弦长的方向舵、全动截尖菱形平尾,以保证其良好的机动性和在控制范围内提供必要的控制功率;V形尾翼的雷达反射截面积相对其他形式尾翼最小。
(4形状固定的S形超声速进气道,具有后掠的整流罩唇口、边界层抽吸及机外旁路系统和能够百分之百遮挡雷达波的相当长的扩压段。
(5脊形前体,具有良好的大迎角横航向稳定性,带有与雷达相容的机头、整体座舱盖和良好的飞行员视野(机头下视角15°。
(6截斜角的翼尖,便于安装各种天线。
(7所有结构外边缘角与机翼前缘或后缘平行。
在先进客机方面,当前的重点是增升减阻,提高巡航速度。
波音777成为全球飞得最远的客机,不仅得益于其大量采用轻型复合材料和大推力低油耗发动机,更得益于采用了先进的高升阻比超临界层流翼型、优化的翼梢小翼、机翼机身结合处小的干扰阻力。
那么下一代航空器会有那些新的要求呢?首先在军用航空领域将会对战斗机的机动性和隐身性提出更高的要求,同时也期待微型单兵航空器和空天飞机能够派上战场;在民用航空领域,将会继续追求低成本通用航空,同时也会加紧超声速客机的研制和私人小型航空器的发展。
而空气动力学在以下几个方面的进展将可能为这些航空器的发展扫清技术障碍。
一、湍流理论、涡结构、转捩和分离机制及主动涡控制技术
流动现象大致可以分为层流和湍流两大类。
对层流的研究已经达到了相当成熟的阶段,而对湍流的研究则一直进展缓慢。
虽然各国投入了大量的人力物力对其进行研究,也提出了很多的湍流理论,但没有一种理论能够解决所有的湍流问题,而且其背后的物理机理也不一定经得住推敲。
19世纪初人们认为湍流是一种完全不规则的随机运动,因此雷诺(Reynolds首创用统计平均方法来描叙湍流运动。
1937年泰勒(T aylor和冯·卡门(Von Kármán对湍流下过定义,认为湍流是一种不规则运动,它在流体流过固壁或相邻不同速度流体层相互流过时产生。
后来欣策(Hinze在此基础上予以补充,说明湍流的速度、压强、温
度等量在时间与空间坐标中是随机变化的。
从20世纪70年代初开始,很多人认为湍流并不是完全随机的运动,而是存在一种可以被检测和显示的拟序结构,也称大涡拟序结构。
它的处理与随机的小涡结构不同,它在切变湍流的脉动生成和发展中起主导作用。
但是人们对这个说法仍存在争议,有人认为这种大尺度结构不属于湍流的范畴,而有人认为这是湍流的一种表现形式。
目前大多数人的观点是:湍流由各种大小和涡量的涡旋叠加而成,其中最大涡尺度与流动环境密切相关,最小涡尺度则由黏性确定;流体在运动过程中涡旋不断破碎、合并,流体质点轨迹不断变化;在某些情况下,流场做完全随机的运动,在另一些情况下,流场随机运动与拟序运动并存。
现在人们总结湍流的特性如下:
不规则性或随机性。
这是湍流的重要性质,从动力学的观点来看,湍流必定是不可预测的,研究湍流大多是用统计方法。
扩散性。
这是湍流的另一个重要性质,湍流具有一种把一个地方的某个特性或者物质扩散到其他各处的性能,具有比分子运动强得多的扩散能力。
大雷诺数性质。
湍流是一种在大雷诺数条件下才出现的现象,即非线性起主导作用,雷诺数越高,越容易出现湍流。
有涡性和三维性。
湍流中充斥着大大小小的涡旋,湍流是以高频扰动涡为特征的有旋的三维(有时是准二维运动。
耗散性。
湍流运动由于分子黏性作用要耗散能量,只有不断从外部供给能量,湍流才能维持。
连续性。
湍流是一种连续介质的运动现象,因此满足连续介质力学的基本规律,例如纳维尔-斯托克斯方程
相关性(记忆特性。
湍流运动在不同的时刻或空间不同点上并不是独立的,而是有相互关联,但这种关联随着时间间隔或空间距离的增大而变小,最后趋近于零。
间歇性。
这是近代湍流研究的重大发现之一,有内间歇和外间歇之分。
前者系指充分发展的湍流场中某些物理量(特别是高阶统计量并不是在空间(或时间的每一点上都存在的,即有奇异性;后者指湍流区与非湍流区边界的时空不确定性,例如湍流边界层与外层之间的界面。
间歇现象(尤其是内间歇的研究是目前湍流理论研究的前沿课题。
猝发与拟序结构。
这也是近代湍流研究的重大发现。
实验表明,在湍流混合
层和剪切湍流边界层中存在大尺度的相干结构和猝发现象,说明湍流不是完全无秩序、无内部结构的运动,这促使人们改变了对湍流的某些传统观念以上是湍流的一些基本特征,那么哪些流动属于湍流的范畴呢?说简单点,就是凡是有涡的流动就是湍流,例如圆柱绕流、机翼大迎角绕流、射流和背风区流动等复杂流动。
而层流如何转捩为湍流、湍流分离、涡破裂、涡结构等问题则是困扰流体力学专家的问题,我们对于现代飞行器的复杂流动问题的研究则都是建立在经验的基础之上。
二、昆虫飞行动力学
昆虫的飞行是利用了翅膀的连续拍动并以此产生稳定涡驻留在其翅膀之上,由此产生升力和向前飞行的推进力。
这不仅涉及到湍流领域,还涉及到低雷诺数空气动力学领域。
雷诺数是惯性力与黏性力的比值,那么低雷诺数则表示黏性力与惯性力相当或黏性力比惯性力更大。
人游泳时雷诺数可以达到1.0×105,而一架客机飞行时雷诺数可以达到1.0×105,那么大多数昆虫飞行时的雷诺数则处于
1.0×102~1.0×103,可以说昆虫在空气中飞行相当于人在油里面游泳。
现有研究表明低雷诺数飞行器相对于高雷诺数飞行器阻力升高,升力降低。
飞机飞行时机翼是固定的,而昆虫飞行时翅膀近似在一个水平或向前倾斜的平面内拍动。
昆虫翅可近似为一平板,向前拍动(又称下拍时,翅像飞机机翼那样相对于空气拍动;下拍结束时,翅向后翻转;然后向后拍动(又称上拍也同样如机翼一样相对于空气运动;后拍结束时,翅向前翻转;周而复始。
较大的昆虫(例如蜻蜓翅膀每秒钟拍动
20~30次,很小的昆虫可达500~600次。
因而,翅膀与空气的相对运动速度远大于昆虫的飞行速度(是拍动速度与飞行速度的叠加,相对速度几乎全部由此拍动产生,因此,计算昆虫气动力时根本不需要其飞行速度。
然而即使这样,其拍动雷诺数(约在
20~5000也很低,处于低雷诺数范围,在低雷诺数时机翼产生的环量很低。
根据定常运动时的茹科夫斯基定理L=ρVτ得知昆虫拍动翅膀产生的升力小于其重力。
而现有研究表明:昆虫翅膀在开始拍动时,前缘附近出现了前缘涡,由于迎角较大,前缘涡
较强,绕翅的环量较大,在翅膀继续作快速翻转运动时此前缘涡由于离心力和相当于高机动战斗机快速俯仰运动效应的共同作用使得其能够驻留在昆虫翅膀上不脱落,以此来克服低雷诺数效应,保持翅膀的高升力。
但是昆虫飞行产生的高升力还与翅膀形状、翅膀柔韧性、翅膀拍动型式、拍动频率、身体形状、飞行时腿的姿势等都有一定的关系,看来将来要想造出像昆虫一样小巧且飞行自如的飞行器任重而道远。