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