空气动力学发展

看空气动力学发展张书林土木工程与力学学院理论与应用学专业基地班2015级摘要：自新中国成立，经过前辈的不懈努力，中国的空气动力学得到了长足的发展，也正是因为空气动力学的发展，中国成为了仅次于美俄的航天大国，在第四代第五代战机的研发中也处于领先地位。关键词：空气动力学，多学科交叉，发展，发展史一、引言1、空气动力学的发展简史对空气动力学的研究可以追溯到人类最早对鸟类或者弹丸在空气中受力情况和里的作用方式的种种猜测。从十七世纪惠更斯开始估算物体在空气中收到的阻力开始，空气动力学便开始发展，而被普遍认为是空气动力学经典的开始就是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。此后通过欧拉、达朗贝尔、纳威、斯托克斯等人的努力使得流体力学得到了很好的发展，到二十世纪四十到五十年代，可压缩空气动力学理论的迅速发展，特别是跨音速面积律的发现和后掠翼新概念的提出，帮助人们突破音障，实现了跨音速和超音速飞行，使得20世纪50年代中期研制成功了性能优越的第一代战斗机，第二次世界大战期间，军事航空的需求以及导弹武器的出现和投入使用，促使人们向更高的速度冲击。20世纪50年代以后，开始了超音速空气动力学发展的新时期，发展了第二代性能更为先进的战斗机。1957年苏联发射了第一颗人造地球卫星，1961年第一艘载人飞船“东方号”升空，被认为是空间时代的开始。航天方面的重点放在高超音速和再入飞行器的气动力与推进系统问题，特别是如何克服由于高超音速的飞行和弹头再入大气层严重气动加热引起的“热障”问题。航空方面的重点则放在了发展高性能作战飞机、超音速客机、垂直短距起落飞机和变后掠翼飞机。这一时期空气动力学研究反面的一项重要成就就是“超临界机翼”新概念的提出，它可以显著提高机翼的临界马赫数。20世纪70年代后，脱体涡流型和非线性涡升力的发现和利用，是空气动力学的又一重要成果，它导致了第三代高机动型战斗机的产生。高超音速空气动力学经历二十世纪七十年代的沉寂，进入八十年代后的复苏。由于军事需求的强力需求，美、俄两国都开始加紧研制第四代战斗机和超高音速飞行器以及跨大气层飞行器，其中最有代表性的是1981年美国发射的航天飞机，由此形成了现代空气动力学发展的新时期。目前正在发展的第四代战斗机，将高机动性、敏捷性、超高音速巡航能力、高隐身能力更大的高度和速度范围等诸多友优异性能集于一身，对空气动力学、动力推进、电子、控制和材料、工艺等技术提出了更高的要求。［1］2、中国空气动力发展我国的空气动力学于上世纪五六十年代开始发展，当时一大批在美国和欧洲学习的爱国青年满怀着回报国家的热情回到新中国，其中就包括钱学森、庄逢甘、郭永怀等一大批优秀的空气动力学工作者。中国的空气动力学由此得到了快速的发展，并且在艰苦的条件下做出来卓越的成绩，正是他们的努力才能使中国在艰苦条件下仍能发射火箭，成为世界上第三个能够发射卫星的国家，并且使国家拥有投放原子弹的能力，正式拥有核威慑力。在改革开放后计算机得到了迅猛的发展，国家条件也在变好，空气动力学又迎来了春天，中国的空气动力学也得到了很好的发展，在很多领域也走在了世界的前沿。二、空气动力学的特性1、多学科交叉空气动力学作为力学的一个分支，在应用到工业和航空航天后必须与多学科交叉才能发挥作用。由于力学作为理论学科，在从理论到时间的过程中，会遇到很多难以想象到的困难或者仅仅是用理论难以解决的问题，所以这时候必须结合其他学科的知识。如在飞行器进入高速飞行的状态时，飞行器表面与空气摩擦会产生大量的热量，会引起飞行器表面材料的烧蚀和质量的引射，于是必须和热力学、材料学等学科交叉才能解决问题。而最显著学科交叉的就是力学与数学、计算机之间的交叉。由于力学主要是用数学问题来解决力学中遇到的问题，所以早些之气力学还被称为“数力学”，而从力学的早期发展史中我们可以看到很多对力学发展起到重要作用的人都是数学家，而在进入二十世纪后，计算机和航空航天的迅猛发展，计算量的大量增长使得空气动力学和计算机结合的越来越紧密，也促进了空气动力学高度非线性问题和复杂结构的流动研究。在进入了二十一世纪后，环境和能源的问题越来越突出也促使了空气动力学与其他学科的交叉。这种多学科交叉的特性不仅仅加快了理论向实践应用的进度，也促进了空气动力学的发展。2、实践与理论结合由于空气动力学主要是为了航空航天服务，所以在进行飞行器的研究和开发的时，不仅要在理论上能够取到最好的效能，也必须在试验中得到支持理论数据的实验结果。所以衡量一个国家航空动力学的发展程度的很重要的标准就是风洞的数量和类型(由此也可以看出在建国时期，那些放弃在外国优越条件的力学学者们在缺少资金设备时期仍能够做出令人惊叹的成绩的艰难)。所以所有的飞机在设计之后都必须通过风洞检测，才能正式试飞、投产、列装。3、与军工国防联系紧密空气动力学的发展和航空航天的发展是相辅相成的，往往一个理论的建立会促进航航空航天的发展，而航空航天中遇到的问题又会促进空气动力学在此方面的研究。而航空航天是国防事业的一部分，占据“海陆空天”的半壁江山(也正是这个原因，我国的著名空气动力学家钱学森被美国军官说的是“不论走在哪里，都顶的上五个师的兵力”)。特别是进入了二十一世纪后，航空航天发展成为了热点领域。超高音速飞行器、平流层无人机、亚轨道飞行器等在军事层面的飞行器都提出了一系列的新的空气动力学的问题，包括超燃冲压发动机内流空气动力学、柔性空气动力学问题，升力—浮力一体化设计问题。三、研究分类及内容1、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2、主要研究内容在低速空气动力学中，介质密度变化很小，可视为常数，使用的基本理论是无粘二维和三维的位势流、翼型理论、升力线理论、升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；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（压缩波与膨胀波的基本关系模型及其函数模型）、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。高超声速流动的主要特点是高马赫数和大能量，这些特点是流动具有一般超音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，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。四、研究进展1、湍流流体力学中最普遍的现象是湍流，而湍流机制则是最基本的问题，曾吸引众多的力学家、物理学家和数学家从事研究，如:普朗特，柯莫戈罗夫（Kolmogorov），兰道（Landau）等。经过多代人的研究，经历了唯象理论、统计理论、模式理论直至今天的直接数值模拟等阶段，对这一问题的认识已大为深化。40年代周培源指出必须同时联立求解平均运动和脉动运动，并提出用逐级近似求解的方法来克服方程不封闭的困难。80年代周培源又提出“准相似性”条件使方程封闭，而且采用数值迭代法得到和实验相符的新结果。目前的工程计算一般都依靠周培源所奠基的湍流模式理论。60年代末在剪切湍流中发现了相干结构的存在，近年来又在实验和数值模拟中显示出湍流小尺度的统计性质偏离高斯型，这些都说明湍流是一种确定性与随机性、有序和无序并存的流动，改变了湍流是完全不规则的随机运动的传统看法。此外，60年代以来混沌现象的发现和混沌动力学的迅速发展说明存在一类貌视混乱的确定性现象，启发人们提出了湍流可能是由混沌发展起来的猜想。70年代提出用重整化群研究湍流的方法。这一方法曾在相变动力学中取得成效，考虑到湍流和相变动力学之间存在某种相似性，而将改进了的重整化群方法用于N-S方程。近年来已能预测湍流理论中的一些著名常数和近壁区的流向条带等，但这方法中有关涡间相互作用的基本假设还缺乏充分的根据，有待进一步的探讨。近年来运用运动稳定性理论已经能够解释自由剪切流中相干结构的成因。边界层内相干结构的产生和演化机制则要复杂得多，尚需作深入的研究。由于计算机和计算方法的发展，近20年来湍流的直接数值模拟取得了惊人的进展。因为它不包含人为假设和经验常数而能描述各种尺度涡结构的演化，在槽道流中显示了从层流到充分发展湍流的完整的转捩过程，可以认为直接数值模拟将是今后湍流研究的基本工具之一，能对湍流结构的成因及演化过程不断提供新的看法。2、超音速大约在1941年，当飞机从高空进入陡俯冲时，和跨声速动力学相联系的大量问题出现，噪声和都震增强到从未体验的剧烈程度的水平。军用飞机飞行发展的重要趋势是进行陡俯冲，此时飞行员继续控制飞机要冒很大的危险。然而直到二十世纪四十年代中期，飞行试验揭示的跨声速流动问题仍是令人头疼的而当时现有的理论对于解决问题只有很小的帮助。直到琼斯的后掠翼和小展弦比机翼概念的引入使飞机能以比各种大展弦比机翼和直机翼更高的速度飞行。之后经过Vonkarman的跨声速的相似律，Guderley和Busemann对近似解的处理和Liepmann和Bryson对三种风洞的研究推进了跨声速小扰动方程组的发展。到二十世纪七十年代跨声速空气动力学的发展达到了一个顶峰时期。Pearcey和Whitcomb的无激波超临界翼型及其在低跨声速范围内改善飞行器的气动特性的潜能使得研究人员更加关注跨声速空气动力学。随着计算机运算速度的及内存的快速发展，计算流体力学专家已经不再满足于对跨声速流动采用的小扰动、弱激波、等熵无旋流等假设。进入八十年代后C，求解Euler方程和N-S方程进入了快速发展的时期，并且伴随着计算机技术的进展，相继发展了多块对接网格技术和多域重叠网格技术等。九十年代以来迅速发展的非结构网格以及自适应网格、混合网格和自适应笛卡尔网格等生成技术，使复杂外形，复杂流畅的网格生成技术不断完善，市盈率跨声速定常、非定常流，全机带外挂及外挂投放状态的计算要求，同时在此期间也提高了计算程序的实用价值。进入二十一世纪，随着计算机、激光、热线、红外、光导、超导体以及微电子等先进技术用于跨声速风洞实验，是风洞以及其实验技术得到飞跃的发展。而先进的风洞能够为先进气动理论模型提供基本数据，也使得探索某些复杂流动的物理本质引导新的气动概念方便。尽管如今高超音速已经发展到了较高的水平，而风洞和计算机也到达了较高的水准但是在在非线性气动问题、稀薄气体动力学问题等在临近空间高速飞行的问题，当然随着研究深入这些问题可一定都会得到解决。［2］五、结