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空气动力学历史

作者:九州体育 发布时间:2020-07-04 07:33 点击数:

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  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。

  1755年,数学家欧拉得出了描述无粘性流体运动的微分方程,即欧拉方程。这些微分形式的动力学方程在特定条件下可以积分,得出很有实用价值的结果。19世纪上半叶,法国的纳维和英国的斯托克斯提出了描述粘性不可压缩流体动量守恒的运动方程,后称为纳维-斯托克斯方程。

  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。1887~1896年间,奥地利科学家马赫在研究弹丸运动扰动的传播时指出:在小于或大于声速的不同流动中,弹丸引起的扰动传播特征是根本不同的。

  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。

  小扰动在超声速流中传播会叠加起来形成有限量的突跃——激波。在许多实际超声速流动中也存在着激波。气流通过激波流场,参量发生突跃,熵增加而总能量保持不变。

  20世纪70年代以来,激光技术、电子技术和电子计算机的迅速发展,极大地提高了空气动力学的实验水平和计算水平,促进了对高度非线性问题和复杂结构的流动的研究。

  20世纪70年代以来,空气动力学发展较为活跃的领域是湍流、边界层过渡、激波与边界层相互干扰、跨声速流动、涡旋和分离流动、多相流、数值计算和实验测试技术等等。此外,工业空气动力学、环境空气动力学,以及考虑有物理化学变化的气体动力学也有很大的发展。

  工业空气动力学,就是地面上的空气动力学,比如汽车拿到风洞里吹风,可以观察汽车周围的气流形态,然後设计改形,阻力减小来节省汽油,减少噪音。大城市的建筑群布局不合理,楼间会形成很强的风场,在北京的大风天尤为如此,桥梁也面临类似的问题,特别是气流的波动频率和建筑物的固有振动频率相近,就会使建筑物强烈振动,比如水泥钢筋的桥梁,就会被看不见摸得着的风儿给吹折了。

  环境空气动力学研究自然界中大尺度气体运动的规律。自然界中的空气,由于受到地球旋转作用、地心引力作用和太阳辐射作用等,进行着十分复杂的运动。环境空气动力学就是运用流体力学的基本理论和研究方法,研究自然界中大尺度气体运动的规律,以及运动着的气体相互之间以及与周围物体之间的受力、受压、受热、相变和扩散机理、变形特性的一门新学科。

  在飞行速度或流动速度接近声速时,飞行器的气动性能发生急剧变化,阻力突增,升力骤降。飞行器的操纵性和稳定性极度恶化,这就是航空史上著名的声障。大推力发动机的出现冲过了声障,但并没有很好地解决复杂的跨声速流动问题。直至20世纪60年代以后,由于跨声速巡航飞行、机动飞行,以及发展高效率喷气发动机的要求,跨声速流动的研究更加受到重视,并有很大的发展。

  由于在高温条件下全引起飞行器表面材料的烧蚀和质量的引射,需要研究高温气体的多相流。空气动力学的发展出现了与多种学科相结合的特点。

  柳青. 环境科学基础理论 环境空气动力学[J]. 环境工程技术学报, 2006(2):7-7.

  中国力学学会办公室,中国科学院力学研究所LNM开放试验室编 .《现代流体力学进展》 .北京:科学出版社, 1991年: 第43页


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