空气动力学

力学的一个分支，研究飞行器或其他物体在同空气或其他气体作相对运动情况下的受力特性、气体的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。

发展简史  空气动力学的研究可以追溯到早期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C.惠更斯首先估算出物体在空气中运动的阻力。1726年，I.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。牛顿的这一工作可以看作是空气动力学经典理论的开始。1755年数学家L.欧拉得出了描述无粘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，如伯努利方程(见伯努利定理)。法国力学家 J.le R.达朗伯在不考虑粘性影响的情况下，得到运动不受阻力的佯谬(见达朗伯佯谬)。这一佯谬引起了很多学者的关注。19世纪上半叶，法国的C.-L.-M.-H.纳维和英国的G.G.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。到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，在这一过程中，T.von卡门对空气动力学的发展起了重要作用。

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F.W.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，M.W.库塔和Н.Е.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L.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。在边界层内，流动的控制方程可简化为边界层方程；在边界层外，可不考虑粘性作用，方程简化为欧拉方程(见流体力学基本方程组。边界层理论极大地推进了空气动力学的发展。普朗特还把有限翼展的三维机翼理论系统化，给出它的数学结果，从而创立了有限翼展机翼的举力线理论。但它不能适用于失速、后掠和小展弦比的情况。1946年美国的R.T.琼斯提出了小展弦比机翼理论，利用这一理论和边界层理论，可以足够精确地求出机翼上的压力分布和表面摩擦阻力。

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E.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。在高速流动中表征流动特征的一个重要无量纲参数是流动速度v与当地声速c之比，即v/c。1929年，德国空气动力学家J.阿克莱特首先把这个无量纲参数与马赫的名字联系起来，十年后，马赫数(即v/c)这个特征参数在气体动力学中广泛引用。在流动速度接近但尚未达到跨声速范围内，普朗特－格劳厄脱法则和卡门－钱学森公式把决定压力的问题简化为相应不可压缩流体中的压力计算问题。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。英国科学家W.J.M.兰金在1870年、法国科学家P.H.许贡纽在1887年分别独立地建立了气流通过激波所应满足的关系式(见激波关系式)，为超声速流场的数学处理提供了正确的边界条件。对于薄翼小扰动问题，阿克莱特在1925年提出了二维线化机翼理论，通过线性叠加机翼各点引起的扰动而得到机翼的举力和阻力。以后又相应地出现了三维机翼的线化理论，如A.布泽曼在1924年提出的锥型流理论。这些超声速流的线化理论圆满地解决了流动中小扰动的影响问题。

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，举力骤降。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60年代以后，由于跨声速巡航飞行和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。

远程导弹和人造卫星的研制推动了高超声速空气动力学的发展。在50年代到60年代初确立了高超声速无粘流理论和气动力的工程计算方法。60年代初，高超声速流动数值计算也有了迅速的发展，高超声速(高马赫数和大能量)流动特点带来了中等超声速流动所没有的复杂性。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等。由于在高温条件下会引起飞行器表面材料的烧蚀和质量的引射(见边界层传热传质)，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。

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和实验理论、实验方法、测试技术的发展。实验研究包括实物和模型实验两大部分。世界上第一个风洞是英国的F.H.韦纳姆在1871年建成的。到今天适用于各种模拟条件、目的、用途和各种测量方式的风洞已有数十种之多。风洞实验的内容极为广泛。20世纪40年代后期的风洞测控系统已由早期简单的手控设备发展成为部分电子控制的设备。60年代以来，在风洞测控技术、仪器、 测量项目、 种类、精度要求、计算机自动控制和记录以及结果处理方面，都有很大的发展。模拟高雷诺数的实验也引起人们的重视。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。

除了上述由航空航天事业的发展推进空气动力学的发展之外，60年代以来，由于交通、运输、建筑、气象、环境保护和能源利用等多方面的发展，出现了工业空气动力学等分支学科。

学科分类  通常所说的空气动力学研究内容是飞机、导弹等飞行器在各种飞行条件下流场中气体的速度、压力和密度等参量的变化规律，飞行器所受的举力和阻力等空气动力及其变化规律，气体介质或气体与飞行器之间所发生的物理化学变化以及传热传质规律等。从这个意义上讲，空气动力学可有两种分类法：

① 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。通常大致以400千米/小时这一速度作为划分的界线。在低速空气动力学中，气体介质可视为不可压缩的，对应的流动称为不可压缩流动。大于这个速度的流动，须考虑气体的压缩性影响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。可压缩流动根据其流动马赫数的不同又可分为四种各具不同特点的流动：马赫数恒小于1的流动称为亚声速流动，恒大于1的流动称为超声速流动，马赫数接近于1的流动称为跨声速流动，通常又把流动马赫数大于5的流动称为高超声速流动。气体动力学则是专门研究可压缩流体流动的学科。它涉及可压缩流动和高速空气动力学。

②根据流动中是否必须考虑气体介质的粘性，空气动力学又可分为理想空气动力学(或理想气体动力学)和粘性空气动力学。

除了上述分类以外，空气动力学中还有一些边缘性的分支学科。当流动问题的特征尺度同气体分子平均自由程接近时，或者说在流动气体的密度低到流体力学中连续介质假设不再适用时，气体介质的不连续性便显露出来，此时就必须用分子运动论观点，研究气体的流动规律和气体与物体的相互作用，这个分支学科便是稀薄气体动力学。研究气体在高温下的物理化学现象以及伴随的能量传递和转换等过程的分支学科，则称为高温气体动力学。

研究内容  空气动力学的一些基本理论和内容分别叙述如下：在低速空气动力学和相应的不可压缩流动中，介质密度变化很小，可视为常数，而基本理论是无粘二维和三维的位势流基本解、翼型理论、举力线理论、举力面理论和低速边界层理论等。对于亚声速流动，无粘位势流动服从非线性椭圆型偏微分方程，研究这类流动的主要理论和近似方法有小扰动线化方法，普朗特-格劳厄脱法则、卡门-钱学森公式和速度图法； 在粘性流动方面有可压缩边界层理论(见高速边界层)。对于超声速流动，无粘流动所服从的方程是非线性双曲型偏微分方程。在超声速流动中，基本的研究内容是压缩波、膨胀波、激波、普朗特－迈耶尔流动、锥型流，等等。主要的理论处理方法有超声速小扰动理论、特征线法和高速边界层理论等。跨声速无粘流动可分外流和内流两大部分，流动变化复杂，流动的控制方程为非线性混合型偏微分方程，从理论上求解困难较大。对流动规律研究的一个重要方面是寻求方程的数值解。在一定条件下可有跨声速相似律(见跨声速流动)。在高超声速流动方面，研究流动速度远远大于声速时的流动现象和规律，以及流动中出现的物理化学变化、烧蚀、传热传质和物体所受的作用力。高超声速流动的主要特点是高马赫数和大能量。这些特点使流动具有一般超声速流动所没有的流体动力特征和物理化学变化。在高超声速流动中真实气体效应和激波与边界层相互干扰问题变得比较重要。高超声速流动分无粘流动和高超声速粘性流两大方面。工业空气动力学主要研究在大气边界层中风同各种结构物和人类活动间的相互作用，研究大气边界层内风的特性、风对建筑物的作用、风引起的质量迁移、风对运输车辆的作用和风能利用，以及低层大气的流动特性和各种颗粒物在大气中的扩散规律，特别是湍流扩散的规律，等等。

研究方法  空气动力学的研究，分理论和实验两个方面。理论和实验研究两者彼此密切结合，相辅相成。理论研究所依据的一般原理是，流动遵循基本物理定律：在运动学方面，遵循质量守恒定律；在动力学方面，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；在热力学方面，遵循热力学第一和第二定律;在介质属性方面，遵循相应的气体状态方程和粘性、导热性的变化规律，等等。实验研究则是借助实验设备或装置观察和记录各种流动现象，测量气流同物体的相互作用，发现新的物理特点并从中找出规律性的结果。由于近代高速电子计算机的迅速发展，数值计算在研究复杂流动和受力计算方面起着重要作用，高速电子计算机在实验研究中的作用也日益增大。因此，理论研究、实验研究、数值计算三方面的紧密结合是近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，对流动现象和机理进行分析，提出合理的力学模型，根据上述几个方面的物理定律提出描述流动的基本方程和定解条件(对于太复杂的数学方程，则须根据观察和实验所得到的特性作进一步的补充和简化，以便得到定性或定量的解析结果或数值计算结果)；然后根据实验结果，再进一步检验理论分析或数值结果的正确性和适用范围，并提出进一步深入进行实验或理论研究的问题。如此不断反复、更广泛而深入地揭示空气动力学问题的本质。

发展趋势  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。