空气动力学

来自中文百科专业版
跳转至: 导航搜索

  空气动力学汉语拼音:Kongqi Donglixue;英语:Aerodynamics),研究空气和其他气体的运动以及它们与物体相对运动时相互作用的科学,简称气动力学。空气动力学重点研究飞行器的飞行原理,是航空航天技术最重要的理论基础之一。在任何一种飞行器的设计中,必须解决两方面的气动问题:一是在确定新飞行器所要求的性能后,寻找满足要求的外形和气动措施;二是预测飞行器的气动特性,为飞行器性能计算和结构、控制系统的设计提供依据。亚声速飞机为获得高升阻比采用大展弦比机翼;跨声速飞机为了减小波阻采用后掠机翼机翼机身的布置满足面积律;超声速飞机为了利用旋涡升力采用机翼边条;[高超声速再入飞行器为了减少气动加热采用钝的前缘形状,都是成功地应用空气动力学研究成果的典型例子。除此以外,空气动力学在气象、交通、建筑、能源、化工、环境保护、自动控制等领域都得到广泛的应用。

概况

  空气动力学的发展经历了低速、高速和新变革3个时期。

  低速时期 18世纪以前,人类尚未掌握空气动力学的知识。1726年,I.牛顿根据质点撞击平板时的动量损失,提出计算气动升力的第一个理论,但是过低地估计了升力。直到20世纪初,在航空事业发展的推动下,英国F.W.兰彻斯特德国M.W.库塔俄国N.Ye.茹科夫斯基等人,在研究环流的基础上提出正确估计二维机翼升力的公式。接着,德国L.普朗特和兰彻斯特利用涡系代表机翼,创立有限翼展的机翼理论。1904年,普朗特提出边界层概念,解决了当时无黏空气动力学的实验结果之间的矛盾。在实验方面,1871年英国F.H.韦纳姆建造了第一座开路式风洞,美国莱特兄弟1900年建造了一座截面为406×406毫米、长1.8米的风洞,用天平测出机翼升力、全机阻力和压力中心数据,在这座风洞的空气动力实验的基础上,实现了人类第一次动力飞行。1928年在英国的国家物理实验室,建造了直径为78毫米的超声速风洞。

  高速时期 第二次世界大战前后,由于军用航空的需要和航天技术的兴起,高速空气动力学得到迅速的发展。在这个阶段中建立了亚声速跨声速超声速高超声速无黏流和高速边界层的系统理论,研究了各类飞行器在不同速度范围的气动特性,将空气动力学的研究内容从力扩展到热、光和电磁等效应。这些研究成果对突破高速飞行的声障和热障起了决定性的作用。1939年,T.von卡门钱学森开创著名的亚声速流近似处理方法。1941年钱学森将卡门的超声速流中的细长体近似推广到有迎(攻)角情况。1946年,钱学森提出高超声速相似律和稀薄空气动力学的区域划分。1953年郭永怀研究激波边界层的相互作用,成功地发展了一种有效的奇异摄动法。1947年,美国国家航空咨询委员会首先建造试验段尺寸为304毫米的开槽壁高速风洞,消除壅塞,建立近声速流,为发展跨声速风洞奠定了基础。20世纪60年代,各类超高速实验设备日臻成熟。

  新变革时期 20世纪60年代后期,航天飞机综合运用航空和航天技术,在飞行器的设计中出现飞机与发动机一体化的需要。空气动力学还与控制技术结合起来。计算机的发展改变了理论空气动力学的面貌,计算空气动力学的出现,使飞行器的空气动力设计产生重大的变革。计算机作为气体流动的数学模拟设备,代替部分风洞的作用,并与风洞实验结合起来。在空气动力实验中,计算机成为风洞不可分离的伙伴。

学科内容

  为航空航天技术服务的空气动力学主要包括飞行器空气动力学、非定常空气动力学、内流空气动力学和气动热力学等内容。

  飞行器空气动力学 针对各类飞行器的特点,研究满足其性能要求的气动外形,研究气动特性随几何外形、飞行姿态、马赫数雷诺数等基本因素的变化,并提供相应的计算方法。飞行器空气动力学不仅研究各个单独部件如机翼、尾翼、控制面、机身以及各类增升装置等的气动外形和气动特性,还研究整个飞行器的气动布局和气动特性,并进一步研究飞行器的性能、操纵性和稳定性。

  非定常空气动力学 飞行器的空气绕流和气动特性取决于飞行器运动的特点。在稳定运动中,它们不随时间变化,可以用定常空气动力学来解决问题。但在研究飞行的动稳定性、大气湍流的影响、颤振、抖振、地面风载、脉动压力、噪声时,必须考虑气流的不均匀性(例如阵风)、流场的不稳定性(例如分离流动)和飞行器摆动或旋转造成的绕流的非定常性带来的影响。根据非定常流动的不同形式,如瞬态型、振荡型和随机型等,已出现不同的理论和实验方法。

  内流空气动力学 研究发动机、风洞、枪炮等受管道限制的内部流动。对于涡轮喷气发动机,内流空气动力学研究进气道和喷管流动、压气机和涡轮的叶栅绕流以及在燃烧室内的燃烧和热交换过程。其他如火箭发动机、冲压发动机、涡轮风扇发动机、升力发动机等,都有各自特殊的气动问题。

  气动热力学 根据飞行器的运动特点分析气动加热的规律和寻找相应的防热方案。如陡峭再入的弹头,加热的速率很高,一般采用烧蚀防热。高超声速飞机飞行速度稍低,加热速率较小,但加热的时间很长,一般采用冷却、隔热等防热技术。

研究方法

  空气动力学是通过理论和实验的途径并在理论和实验结合的过程中发展起来的。理论研究是在实验的基础上建立正确的流动模型。在数值计算方面,广泛采用有限差分、有限元素、有限基本解等离散点的计算方法。实验方法包括地面模拟试验和飞行试验。风洞因气流易于控制和便于测量等原因,已成为空气动力学主要的实验设备。风洞与计算机的结合可大大增加风洞的实验能力。地面模拟试验并不能完全复现真实的飞行条件,因此除地面模拟试验外,还要利用火箭、试验飞机和火箭橇等进行模型自由飞试验和进行真实飞行器的飞行试验。