空气动力学

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空气动力学

姓名：黄安康       班级：无人机201班       学号：15
       空气动力学是力学的一个分支，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。
        对空气动力学的研究，可以追溯到人类早期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（Huygens）首先估算出物体在空气中运动的阻力；1726年，牛顿（Newton）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。1755年，数学家欧拉（Euler）得出了描述无粘性流体运动的微分方程，即欧拉运动微分方程。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。法国力学家J.le.T.达朗贝尔在不考虑黏性影响的情况下，得到运动不受阻力的佯谬（达朗贝尔佯谬），这一结果引起了很多学者的关注，19世纪上半叶，法国的纳维（Navier）和英国的斯托克斯（Stokes）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，这一过程中冯卡门对空气动力学的发展起了重要作用。
        约在1901～1910年间，库塔（Kutta）和茹科夫斯基（Zhukovski）分别独立地提出了翼型的环量和升力理论，并给出升力理论的数学形式，建立了二维机翼理论。1904年，德国的普朗特（Plandtl）发表了著名的低速流动的边界层理论（又名附面层理论）。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。
        英国科学家兰金（Rankine）在1870年、法国科学家希贡纽（Hugoniot）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，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（Arkwright）在1925年提出了二维线化机翼理论，以后又相应地出现了三维机翼的线化理论。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，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。
        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。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。
20世纪40年代后期的风洞控制系统已由早期简单的手控设备发展成为部分电子控制设备。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。模拟雷诺数的实验也引起人们的重视。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（如湍流）的流动的研究。

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、温度、压力和密度等参量的变化规律，飞行器所受的升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（这一数值接近于地面1atm，288.15K下0.3Ma的值）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。
（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。例如稀薄气体动力学、高温气体动力学等。  
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有：运动学方面，遵循质量守恒定律；动力学方面，遵循牛顿第二定律；能量转换和传递方面，遵循能量守恒定律；热力学方面，遵循热力学第一和第二定律；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。