空气动力学

空气动力学
aerodynamics

   研究空气或其他气体的运动规律，空气或其他气体与飞行器或其他物体发生相对运动时的相互作用和伴随发生的物理化学变化的学科。流体力学的一个分支。它是在流体力学基础上随航空航天技术的发展而形成的一门学科。
    研究内容  根据空气与物体的相对速度是否小于约100米／秒（相应马赫数约0.3）， 可分为低速空气动力学和高速空气动力学，前者主要研究不可压缩流动，后者研究可压缩流动。根据是否忽略粘性，可分为理想空气动力学和粘性空气动力学。作用于飞行器的升力、力矩问题，可主要通过理想空气动力学求解。按流场边界不同，气流有外流和内流之分。外流指一般飞行器绕流和钝体绕流，内流主要指管道、进气道、发动机内的流动。专门研究钝体绕流的称钝体空气动力学；专门研究内流的称内流空气动力学。自20世纪60年代以后，空气动力学逐渐向非航空航天的一般工业与经济领域扩展和渗透，形成了工业空气动力学。此外还有一些边缘性分支学科，如稀薄气体动力学、高温气体动力学和宇宙气体动力学等（见气体动力学）。
   ①钝体空气动力学。研究钝形物体的绕流问题。钝体常具有钝头、钝尾或带棱角的形状，如桥梁、塔架、采油平台、大型冷却塔、高层建筑、火车、汽车等。当风吹过这些物体或物体在空气中运动时便产生钝体绕流现象。流线型飞机在大迎角飞行时，也属钝体绕流范畴。钝体绕流通常伴有复杂的分离和旋涡运动，有时还会产生流致振动（即物体或结构被流动激发的振动）。这是由于分离涡从物面周期性发放时，物体受到周期变化的流体动力作用而发生的受迫振动，甚至导致共振或变形发散，使结构破坏。1940年美国塔科马悬索桥在自然风作用下发生强烈振动而断裂就是一例。为此，在建筑设计中必须考虑结构的固有频率，还要进行风洞实验。常采取的措施有减小跨度，增加刚度，改善外形等，或设置动力阻尼器。
   ②内流空气动力学。主要研究各种管道（如喷管、扩压管等）内部空气或其他气体的流动规律及其与边界的相互作用；有时还包括管道内叶轮机（如压气机、涡轮等）中的流动问题。管道中的流动一般可按一维流动处理。中国学者吴仲华于20世纪50年代初创立了叶轮机械三元流动理论。内流空气动力学的研究方法与一般空气动力学并无明显的不同。
   ③工业空气动力学。主要研究大气边界层（受地面摩擦阻力影响的大气层区域）内风与人类活动、社会和自然环境相互作用的规律。很多情况下，也称为风工程。主要内容包括：大气边界层内的风特性，如速度分布、湍流分布等；风对建筑物或构筑物的作用，以及对果园、树林等的风害及其防治；建筑物或群体所诱致的局部风环境；风引起的质量迁移，如气态污染物的排放、扩散和弥散规律；交通车辆（如汽车、火车）的气动特性及减阻措施等；风能利用；风对社会、经济的其他影响等。主要通过现场实测和实验室模拟进行研究。为此建造了专用的大气边界层风洞和密度分层的水槽等设备。