谁有航空空气动力学的基础资料?
空气动力学发展简史
空气动力学最早的研究可以追溯到鸟类或抛射体在飞行过程中所受的力以及力的作用方式的各种推测。17世纪后期,荷兰物理学家惠更斯首次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法得出结论:在空气中运动的物体所受的力与其速度的平方、物体的特征面积和空气的密度成正比。这项工作可以看作是空气动力学经典理论的开端。
1755年,数学家欧拉提出了一个描述无粘流体运动的微分方程,即欧拉方程。这些动力学微分方程在一定条件下可以积分,所得结果具有很大的实用价值。19世纪上半叶,法国的纳维德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,后被称为纳维德-斯托克斯方程。
到19年底,经典流体力学的基础已经形成。20世纪以来,随着航空事业的飞速发展,空气动力学从流体力学发展而来,形成了一个新的力学分支。
航空要解决的首要问题是如何获得飞机所需的升力,降低飞机的阻力,提高其飞行速度。从理论和实践上研究飞行器相对于空气运动时力的产生和规律是很有必要的。1894年,英国兰彻斯特首先提出了无限翼展机翼或翼型产生升力的环流理论,有限翼展机翼产生升力的涡流理论。但是兰彻斯特的想法在当时并没有得到广泛的关注。
大约在1901 ~ 1910年期间,库塔和茹科夫斯基独立提出了翼型的环流和升力理论,并给出了升力理论的数学形式,建立了二维机翼理论。1904年,德国的Planter发表了著名的低速流动边界层理论。该理论指出,在不同的流动区域,控制方程可以有不同的简化形式。
边界层理论极大地促进了空气动力学的发展。普朗特还将有限翼展三维机翼理论系统化并给出其数学结果,从而建立了有限翼展机翼的升力线理论。然而,它不能应用于失速、后掠角和小展弦比。1946年6月,美国提出小展弦比机翼理论。利用这一理论和边界层理论,可以足够精确地计算机翼上的压力分布和表面摩擦阻力。
现代航空和喷气技术的迅速发展使得飞行速度迅速提高。在高速运动的情况下,为了正确认识和解决高速空气动力学中的问题,需要将流体力学和热力学结合起来。在1887 ~ 1896期间,奥地利科学家马赫指出,在小于或大于音速的不同流动中,抛射体引起的扰动的传播特性是根本不同的。
在高速流动中,流速与局部声速之比是一个重要的无量纲参数。1929年,德国空气动力学家阿克莱特首次将这个无量纲参数与马赫的名字联系起来。十年后,马赫这一特征参数在气体动力学中被广泛引用。
超音速流中小扰动的传播将叠加形成有限的跳跃激波。激波也存在于许多实际的超音速流中。气流通过激波流场时,参数突然跳变,熵增加,总能量不变。
1870,英国科学家兰金,1887,法国科学家徐红牛独立建立了气流通过激波时应满足的关系式,为超音速流场的数学处理提供了正确的边界条件。1925年,阿克莱特提出了二维线性化机械机翼理论,随后相应出现了三维机翼线性化理论。超音速流动的这些线性理论已经成功地解决了流动中小扰动的影响。
当飞行速度或气流速度接近音速时,飞机的气动性能急剧变化,阻力急剧增加,升力急剧下降。飞机的操纵性和稳定性极度恶化,这就是航空史上著名的音障。大推力发动机的出现突破了音障,但并没有很好地解决复杂的跨音速流动问题。直到20世纪60年代,由于跨音速巡航飞行、机动飞行和高效喷气发动机发展的需要,跨音速流动的研究才更加受到重视并得到很大发展。
远程导弹和人造卫星的发展促进了高超声速空气动力学的发展。20世纪50-60年代,建立了高超声速无粘流理论和空气动力的工程计算方法。60年代初,高超声速流动的数值计算也得到了迅速发展。通过研究这些现象和规律,发展了高温气体动力学、高速边界层理论和非平衡流动理论。
由于飞机表面材料的烧蚀和高温下质量的喷出,有必要对高温气体的多相流动进行研究。空气动力学的发展具有与多门学科相结合的特点。
空气动力学发展的另一个重要方面是实验研究,包括风洞等各种实验设备的发展以及实验理论、方法和测试技术的发展。世界上第一座风洞建于1871年,位于英国韦纳姆。到目前为止,适用于各种模拟条件、目的、用途和各种测量方法的风洞有几十种,风洞实验的内容极其广泛。
20世纪70年代以来,激光技术、电子技术和计算机的迅速发展,极大地提高了空气动力学的实验水平和计算水平,促进了高度非线性问题和复杂结构流动的研究。
除了上述航空航天工业的发展推动了空气动力学的发展,从20世纪60年代开始,由于交通、运输、建筑、气象、环保、能源利用等方面的发展,出现了工业空气动力学等分支学科。
空气动力学的研究内容
通常空气动力学的研究内容是飞机、导弹等飞行器在著名飞行条件下的流场气体速度、压力、密度的变化规律,升力、阻力等气动力及其变化规律,气体介质或气体与飞行器之间的物理化学变化,传热传质规律。从这个意义上说,空气动力学可以分为两类:
首先,根据流体运动的速度范围或飞行器的飞行速度,空气动力学可分为低速空气动力学和高速空气动力学。通常以400 km/h的速度大致作为分界线。在低速空气动力学中,气体介质可以看作是不可压缩的,相应的流动称为不可压缩流动。当速度大于此时,必须考虑气体的可压缩性和气体热力学特性的变化。这种对应于高速空气动力学的流动称为可压缩流动。
其次,根据流动中是否必须考虑气体介质的粘性,空气动力学可分为理想空气动力学(或称理想空气动力学)和粘性空气动力学。
除了上面的分类,空气动力学还有一些边缘分支。如稀薄气体动力学、高温气体动力学等。
在低速空气动力学中,介质密度的变化很小,可以看作一个常数。使用的基本理论有无粘二维和三维势流、翼型理论、升力线理论、升力面理论和低速边界层理论。对于亚音速流,无粘势流服从非线性椭圆偏微分方程。研究这类流动的主要理论和近似方法包括小扰动线性化方法、Planter-Graue分离法则、Carmen-钱学森公式和速度图法以及粘性流中的可压缩边界层理论。对于超音速流,无粘流的方程是非线性双曲型偏微分方程。
在超音速流中,基本的研究内容有压缩波、膨胀波、激波、普朗泰-迈耶流、锥形流等等。主要的理论处理方法有超音速小扰动理论、特征线法和高速边界层理论。跨音速无粘流可分为外流和内流两部分,流动变化复杂。流动的控制方程是一个非线性混合偏微分方程,理论上很难求解。
高超音速流动的主要特点是高马赫数和大能量。在高超声速流动中,真实气体效应和激波与边界层的相互作用变得更加重要。高超声速流动分为无粘流动和高超声速粘性流动。
工业空气动力学主要研究大气边界层内风与各种结构和人类活动的相互作用,以及大气边界层内风的特性,风对建筑物的作用,风引起的质量传递,风对运输车辆的作用和风能的利用,以及低层大气的流动特性和大气中各种粒子的扩散规律,特别是末端流动的扩散规律,等等。
空气动力学的研究方法
空气动力学的研究分为理论和实验两个方面。理论和实验研究紧密结合,相辅相成。理论研究所依据的一般原则是:运动学,遵循质量守恒定律;动力学上,遵循牛顿第二定律;在能量转换和传递方面,遵循能量守恒定律;在热力学上,它遵循热力学第一和第二定律;就介质性质而言,它遵循相应的气体状态方程和粘度、导热系数等的变化规律。
实验研究是借助实验设备或装置观察和记录各种流动现象,测量气流与物体的相互作用,发现新的物理特性并从中发现规律性的结果。由于现代高速电子计算机的迅速发展,数值计算在复杂流动和力的计算研究中发挥着重要作用,高速电子计算机在实验研究中的作用也越来越大。因此,理论研究、实验研究和数值计算的紧密结合是现代空气动力学研究的主要特征。
空气动力学研究的过程一般是:通过实验和观察,分析流动的现象和机理,提出合理的力学模型。根据以上几个方面的物理规律,提出了描述流动的基本方程和定解条件;然后根据实验结果进一步检验理论分析或数值结果的正确性和适用范围,提出进一步实验或理论研究的问题。如此反复、广泛、深入地揭示空气动力学问题的本质。
自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、边界层转捩、激波与边界层的相互作用、跨音速流、涡与分离流、多相流、数值计算和实验测试技术。此外,工业空气动力学、环境空气动力学和考虑物理化学变化的气体动力学也取得了很大进展。