空氣動(dòng)力學(xué)（流體力學(xué)的一個(gè)分支）

發(fā)展簡(jiǎn)史

牛頓

到19世紀末，經(jīng)典流體力學(xué)的基礎已經(jīng)形成。20世紀以來(lái)，隨著(zhù)航空事業(yè)的迅速發(fā)展，空氣動(dòng)力學(xué)便從流體力學(xué)中發(fā)展出來(lái)并形成力學(xué)的一個(gè)新的分支，這一過(guò)程中馮卡門(mén)對空氣動(dòng)力學(xué)的發(fā)展起了重要作用。

航空要解決的首要問(wèn)題是如何獲得飛行器所需要的升力、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動(dòng)時(shí)作用力的產(chǎn)生及其規律。^[1]1894年，英國的蘭徹斯特（Lanchester）首先提出無(wú)限翼展機翼或翼型產(chǎn)生升力的環(huán)量理論，和有限翼展機翼產(chǎn)生升力的渦旋理論等。但蘭徹斯特的想法在當時(shí)并未得到廣泛重視。

約在1901～1910年間，庫塔（Kutta）和茹科夫斯基（Zhukovski）分別獨立地提出了翼型的環(huán)量和升力理論，并給出升力理論的數學(xué)形式，建立了二維機翼理論。1904年，德國的普朗特（Plandtl）發(fā)表了著(zhù)名的低速流動(dòng)的邊界層理論（又名附面層理論）。該理論指出在不同的流動(dòng)區域中控制方程可有不同的簡(jiǎn)化形式。

邊界層理論極大地推進(jìn)了空氣動(dòng)力學(xué)的發(fā)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(xué)結果，從而創(chuàng )立了有限翼展機翼的升力線(xiàn)理論。但它不能適用于失速、后掠和小展弦比的情況。1946年美國的瓊斯（Jones）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。

奧地利-捷克物理學(xué)家和哲學(xué)家恩斯特·馬赫

小擾動(dòng)在超聲速流中傳播會(huì )疊加起來(lái)形成有限量的突躍——激波。在許多實(shí)際超聲速流動(dòng)中也存在著(zhù)激波。在絕熱情況下，氣流通過(guò)激波流場(chǎng)，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（Rankine）在1870年、法國科學(xué)家希貢紐（Hugoniot）在1887年分別獨立地建立了氣流通過(guò)激波所應滿(mǎn)足的關(guān)系式，為超聲速流場(chǎng)的數學(xué)處理提供了正確的邊界條件。對于薄翼小擾動(dòng)問(wèn)題，阿克萊特（Arkwright）在1925年提出了二維線(xiàn)化機翼理論，以后又相應地出現了三維機翼的線(xiàn)化理論。這些超聲速流的線(xiàn)化理論圓滿(mǎn)地解決了流動(dòng)中小擾動(dòng)的影響問(wèn)題。

在飛行速度或流動(dòng)速度接近聲速時(shí)，飛行器的氣動(dòng)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定性極度惡化，這就是航空史上著(zhù)名的聲障。大推力發(fā)動(dòng)機的出現沖過(guò)了聲障，但并沒(méi)有很好地解決復雜的跨聲速流動(dòng)問(wèn)題。直至20世紀60年代以后，由于跨聲速巡航飛行、機動(dòng)飛行，以及發(fā)展高效率噴氣發(fā)動(dòng)機的要求，跨聲速流動(dòng)的研究更加受到重視，并有很大的發(fā)展。

人造衛星的研制推動(dòng)空氣動(dòng)力學(xué)的發(fā)展

由于在高溫條件下會(huì )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。空氣動(dòng)力學(xué)的發(fā)展出現了與多種學(xué)科相結合的特點(diǎn)。空氣動(dòng)力學(xué)發(fā)展的另一個(gè)重要方面是實(shí)驗研究，包括風(fēng)洞等各種實(shí)驗設備的發(fā)展和實(shí)驗理論、實(shí)驗方法、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(Wenham)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)洞已有數十種之多，風(fēng)洞實(shí)驗的內容極為廣泛。

20世紀40年代后期的風(fēng)洞控制系統已由早期簡(jiǎn)單的手控設備發(fā)展成為部分電子控制設備。60年代以來(lái)，在風(fēng)洞測控技術(shù)、儀器、測量項目、種類(lèi)、精度要求、計算機自動(dòng)控制和記錄以及結果處理方面，都有很大的發(fā)展。模擬雷諾數的實(shí)驗也引起人們的重視。

20世紀70年代以來(lái)，激光技術(shù)、電子技術(shù)和電子計算機的迅速發(fā)展，極大地提高了空氣動(dòng)力學(xué)的實(shí)驗水平和計算水平，促進(jìn)了對高度非線(xiàn)性問(wèn)題和復雜結構（如湍流）的流動(dòng)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(dòng)力學(xué)的發(fā)展之外，60年代以來(lái)，由于交通、運輸、建筑、氣象、環(huán)境保護和能源利用等多方面的發(fā)展，出現了工業(yè)空氣動(dòng)力學(xué)等分支學(xué)科。

研究方法

空氣動(dòng)力學(xué)的研究，分理論和實(shí)驗兩個(gè)方面。理論和實(shí)驗研究?jì)烧弑舜嗣芮薪Y合，相輔相成。理論研究所依據的一般原理有：運動(dòng)學(xué)方面，遵循質(zhì)量守恒定律；動(dòng)力學(xué)方面，遵循牛頓第二定律；能量轉換和傳遞方面，遵循能量守恒定律；熱力學(xué)方面，遵循熱力學(xué)第一和第二定律；介質(zhì)屬性方面，遵循相應的氣體狀態(tài)方程和粘性、導熱性的變化規律等等。

它力學(xué)分支學(xué)科

靜力學(xué)、動(dòng)力學(xué)、流體力學(xué)、分析力學(xué)、運動(dòng)學(xué)、固體力學(xué)、材料力學(xué)、復合材料力學(xué)、流變學(xué)、結構力學(xué)、彈性力學(xué)、塑性力學(xué)、爆炸力學(xué)、磁流體力學(xué)、空氣動(dòng)力學(xué)、理性力學(xué)、物理力學(xué)、天體力學(xué)、生物力學(xué)、計算力學(xué)

物理學(xué)分支

物理學(xué)概覽、力學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)、聲學(xué)、電磁學(xué)、核物理學(xué)、固體物理學(xué)

研究?jì)热?/h3>

在低速空氣動(dòng)力學(xué)中，介質(zhì)密度變化很小，可視為常數，使用的基本理論是無(wú)粘二維和三維的位勢流、翼型理論、升力線(xiàn)理論、升力面理論和低速邊界層理論等；對于亞聲速流動(dòng)，無(wú)粘位勢流動(dòng)服從非線(xiàn)性橢圓型偏微分方程，研究這類(lèi)流動(dòng)的主要理論和近似方法有小擾動(dòng)線(xiàn)化方法，普朗特-格勞厄脫法則、卡門(mén)-錢(qián)學(xué)森公式和速度圖法，在粘性流動(dòng)方面有可壓縮邊界層理論；對于超聲速流動(dòng)，無(wú)粘流動(dòng)所服從的方程是非線(xiàn)性雙曲型偏微分方程。

在超聲速流動(dòng)中，基本的研究?jì)热菔菈嚎s波、膨脹波、激波、普朗特-邁耶爾流動(dòng)（壓縮波與膨脹波的基本關(guān)系模型及其函數模型）、錐型流，等等。主要的理論處理方法有超聲速小擾動(dòng)理論、特征線(xiàn)法和高速邊界層理論等。跨聲速無(wú)粘流動(dòng)可分外流和內流兩大部分，流動(dòng)變化復雜，流動(dòng)的控制方程為非線(xiàn)性混合型偏微分方程，從理論上求解困難較大。

高超聲速流動(dòng)的主要特點(diǎn)是高馬赫數和大能量，這些特點(diǎn)是流動(dòng)具有一般超音速流動(dòng)所沒(méi)有的流體動(dòng)力特征和物理化學(xué)變化。在高超聲速流動(dòng)中，真實(shí)氣體效應和激波與邊界層相互干擾問(wèn)題變得比較重要。高超聲速流動(dòng)分無(wú)粘流動(dòng)和高超聲速粘性流兩大方面。

工業(yè)空氣動(dòng)力學(xué)主要研究在大氣邊界層中，風(fēng)同各種結構物和人類(lèi)活動(dòng)間的相互作用，以及大氣邊界層內風(fēng)的特性、風(fēng)對建筑物的作用、風(fēng)引起的質(zhì)量遷移、風(fēng)對運輸車(chē)輛的作用和風(fēng)能利用，以及低層大氣的流動(dòng)特性和各種顆粒物在大氣中的擴散規律，特別是湍流擴散的規律，等等。

分類(lèi)

通常所說(shuō)的空氣動(dòng)力學(xué)研究?jì)热菔秋w機，導彈等飛行器在各種飛行條件下流場(chǎng)中氣體的速度、溫度、壓力和密度等參量的變化規律，飛行器所受的升力和阻力等空氣動(dòng)力及其變化規律，氣體介質(zhì)或氣體與飛行器之間所發(fā)生的物理化學(xué)變化以及傳熱傳質(zhì)規律等。從這個(gè)意義上講，空氣動(dòng)力學(xué)可有兩種分類(lèi)法：

1）根據流體運動(dòng)的速度范圍或飛行器的飛行速度，空氣動(dòng)力學(xué)可分為低速空氣動(dòng)力學(xué)和高速空氣動(dòng)力學(xué)。通常大致以400千米/小時(shí)（這一數值接近于地面1atm，288.15K下0.3Ma的值）這一速度作為劃分的界線(xiàn)。在低速空氣動(dòng)力學(xué)中，氣體介質(zhì)可視為不可壓縮的，對應的流動(dòng)稱(chēng)為不可壓縮流動(dòng)。大于這個(gè)速度的流動(dòng)，須考慮氣體的壓縮性影響和氣體熱力學(xué)特性的變化。這種對應于高速空氣動(dòng)力學(xué)的流動(dòng)稱(chēng)為可壓縮流動(dòng)。

2）根據流動(dòng)中是否必須考慮氣體介質(zhì)的粘性，空氣動(dòng)力學(xué)又可分為理想空氣動(dòng)力學(xué)(或理想氣體動(dòng)力學(xué))和粘性空氣動(dòng)力學(xué)。

除了上述分類(lèi)以外，空氣動(dòng)力學(xué)中還有一些邊緣性的分支學(xué)科。例如稀薄氣體動(dòng)力學(xué)、高溫氣體動(dòng)力學(xué)等。