空气动力学

空气动力学飞行的奥秘与气流的本质

空气动力学是一门研究空气以及其他气体运动以及与物体相对运动时的相互作用的科学。它是航空航天技术最基础的理论支柱之一，揭示飞行器的飞行原理。无论是亚音速、跨音速还是超音速飞行器，其设计和性能的提升都离不开空气动力学的深入研究。

一学科分支方面，空气动力学是流体力学的一个重要分支。随着飞行速度的变化，气体的流动特性也会随之改变。当飞行器的飞行速度接近或超过音速时，必须考虑空气的压缩性、热力现象和动力现象。空气动力学可以分为亚音速、跨音速、超音速和高超音速等多个分支。根据气体的粘性、流动特性以及流场的特点，空气动力学还可以分为无粘性空气动力学、粘性空气动力学、外流空气动力学、内流空气动力学、定常空气动力学和非定常空气动力学等。随着计算机技术的发展，计算空气动力学已成为动力学领域一个独立的分支学科。

二发展历程方面，空气动力学经历了低速、高速和新变革三个时期。在低速时期，人类对飞行的向往源于古老的传说，但对空气动力学的理解和应用却十分有限。直到20世纪初，随着航空事业的快速发展，一系列关于空气动力学的理论才被提出。例如，英国F.W.兰彻斯特、德国M.W.库塔和俄国Н.Е.茹科夫斯基等人提出了正确估计二维机翼升力的公式。德国L.普朗特提出了边界层概念，解决了当时无粘空气动力学实验结果之间的矛盾。在实验方面，人类也建造了各种风洞进行空气动力实验，这些实验为飞行器的设计和性能提升提供了重要依据。

空气动力学不仅广泛应用于航空航天领域，它在气象、交通、建筑、能源、化工、环境保护、自动控制等领域也有着广泛的应用。随着科技的进步和研究的深入，空气动力学与其他学科的交叉渗透形成了许多边缘学科，如气动弹性力学、磁流体力学等。

空气动力学是一门充满挑战与机遇的学科。它不断飞行的奥秘和气流的本质，为人类征服天空提供了强大的理论支持。随着科技的进步和研究的深入，空气动力学的应用领域将越来越广泛，为人类的未来发展做出更大的贡献。在高速时代的浪潮下，空气动力学作为一门学科得到了飞速的发展。从二战前后的初步，到如今的精细研究，这一领域经历了数次革新，为航空航天技术提供了坚实的理论基础。

在高速时期，航空的需求和航天技术的崛起刺激了空气动力学的迅猛前进。亚音速、跨音速、超音速和高超音速的研究体系逐渐建立，对飞行器在不同速度范围内的气动特性进行了深入研究。在这一阶段中，T.von卡门及其学生作出了杰出的贡献，推动了空气动力学的研究从力学向热力、光、电磁等多领域的扩展。与此各类风洞的发展也为实验研究提供了有力的工具，尤其是跨音速风洞在消除气流壅塞效应方面的突破，为后来的研究奠定了基础。

进入新变革时期后，航天飞机的出现对空气动力学提出了更高的要求。飞机与发动机一体化的设计需求，使得空气动力学与控制技术的结合变得至关重要。计算机技术的飞速发展改变了理论空气动力学的面貌。计算空气动力学的崛起，带来了飞行器设计的重大变革。计算机作为气体流动的数学模拟设备，不仅代替了部分风洞的功能，还在与风洞实验紧密结合，成为不可或缺的合作伙伴。

空气动力学的学科内容广泛，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。这些领域的研究不仅涉及飞行器的气动外形和气动特性，还涉及到飞行器的性能、操纵性和稳定性等方面。其中，飞行器空气动力学研究满足飞行器性能要求的气动外形，非定常空气动力学则关注飞行中的动稳定性、大气湍流等问题，内流空气动力学研究发动机等内部流动，而气动热力学则致力于解决气动加热等关键问题。

在研究方法上，空气动力学是理论与实验相结合的一门学科。在实验研究的基础上建立正确的流动模型，是理论研究的关键。通过对气体运动各成分的仔细观察和相互作用，建立反映流动本质的基本方程。这些气体运动成分包括流线型流动、旋涡或环流、边界层、尾迹、激波和膨胀波等。在这个过程中，计算机技术和风洞实验起到了至关重要的作用。

空气动力学作为一门为航空航天技术服务的学科，其重要性不言而喻。在未来，随着技术的不断进步和需求的增长，空气动力学将继续发挥重要作用，为航空航天领域的发展提供有力支持。在空气动力学的研究中，我们面对的是一系列复杂的非线性方程。通过适当的简化假设，我们可以应用场论基础发展的方法和奇异摄动法来求解。这些方法如同一盏指引方向的明灯，帮助我们理解并这些看似无解的难题。

在数值计算领域，有限差分、有限元素以及有限基本解等离散点的计算方法已经被广泛应用。这些数值计算方法的选用，既要确保能够准确地反映出流动的物理本质，也要便于数学处理。我们在选择计算方法时，不仅要关注其在数学上的收敛性和稳定性，更要关注其在解决实际问题时的实用性。

实验是空气动力学研究的重要组成部分，其中包括地面模拟试验和飞行试验。风洞因其气流易于控制和便于测量的特点，已经成为空气动力学最主要的实验设备。通过风洞实验，我们不仅可以为飞行器设计提供直接的数据支持，还可以用于空气动力学的基础研究和应用研究，验证理论，提供流动模型，甚至激发新的设计思路。

为了提高风洞的实验能力，我们必须不断提升风洞的性能，比如提高雷诺数、减少洞壁和支架的干扰、降低气流的湍流度等。我们还要发展先进的测试技术，例如采用微型探头、非接触测量技术和动态流场测量技术等。将风洞实验结果外推到飞行条件的方法也是我们的研究重点。风洞与计算机的紧密结合将大大增强风洞的实验能力，使我们能够更好地解决气动问题。

地面模拟试验并不能完全复现真实的飞行条件，因此除了地面模拟试验，我们还需要利用火箭、试验飞机和火箭橇等进行模型自由飞试验和真实飞行器的飞行试验。地面模拟试验、飞行试验和理论计算是互相联系、互相依赖、互相补充和互相验证的三种手段。

随着空气动力学研究方法和研究手段的不断进步，我们面临着更高的挑战。我们需要建立由模拟范围和用途各不相同的风洞组成的风洞群，以及速度超过几亿次每秒的巨型计算机。这些将是未来空气动力学研究的重要基础，也将为我们解决更复杂、更实际的空气动力学问题提供强有力的支持。

想要深入了解空气动力学的发展历程和相关知识，可以参考冯卡尔曼的《空气动力学的发展》以及J.E.Allen的《空气动力学》。这两本书不仅为我们提供了丰富的理论知识，还介绍了空气动力学的研究进展，是学习和研究空气动力学的必备参考书目。