發(fā)展簡史

牛頓

到19世紀(jì)末，經(jīng)典流體力學(xué)的基礎(chǔ)已經(jīng)形成。20世紀(jì)以來，隨著航空事業(yè)的迅速發(fā)展，空氣動(dòng)力學(xué)便從流體力學(xué)中發(fā)展出來并形成力學(xué)的一個(gè)新的分支，這一過程中馮卡門對(duì)空氣動(dòng)力學(xué)的發(fā)展起了重要作用。

航空要解決的首要問題是如何獲得飛行器所需要的升力、減小飛行器的阻力和提高它的飛行速度。這就要從理論和實(shí)踐上研究飛行器與空氣相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)作用力的產(chǎn)生及其規(guī)律。^[1]1894年，英國的蘭徹斯特（Lanchester）首先提出無限翼展機(jī)翼或翼型產(chǎn)生升力的環(huán)量理論，和有限翼展機(jī)翼產(chǎn)生升力的渦旋理論等。但蘭徹斯特的想法在當(dāng)時(shí)并未得到廣泛重視。

約在1901～1910年間，庫塔（Kutta）和茹科夫斯基（Zhukovski）分別獨(dú)立地提出了翼型的環(huán)量和升力理論，并給出升力理論的數(shù)學(xué)形式，建立了二維機(jī)翼理論。1904年，德國的普朗特（Plandtl）發(fā)表了著名的低速流動(dòng)的邊界層理論（又名附面層理論）。該理論指出在不同的流動(dòng)區(qū)域中控制方程可有不同的簡化形式。

邊界層理論極大地推進(jìn)了空氣動(dòng)力學(xué)的發(fā)展。普朗特還把有限翼展的三維機(jī)翼理論系統(tǒng)化，給出它的數(shù)學(xué)結(jié)果，從而創(chuàng)立了有限翼展機(jī)翼的升力線理論。但它不能適用于失速、后掠和小展弦比的情況。1946年美國的瓊斯（Jones）提出了小展弦比機(jī)翼理論，利用這一理論和邊界層理論，可以足夠精確地求出機(jī)翼上的壓力分布和表面摩擦阻力。

奧地利-捷克物理學(xué)家和哲學(xué)家恩斯特·馬赫

小擾動(dòng)在超聲速流中傳播會(huì)疊加起來形成有限量的突躍——激波。在許多實(shí)際超聲速流動(dòng)中也存在著激波。在絕熱情況下，氣流通過激波流場(chǎng)，參量發(fā)生突躍，熵增加而總能量保持不變。

英國科學(xué)家蘭金（Rankine）在1870年、法國科學(xué)家希貢紐（Hugoniot）在1887年分別獨(dú)立地建立了氣流通過激波所應(yīng)滿足的關(guān)系式，為超聲速流場(chǎng)的數(shù)學(xué)處理提供了正確的邊界條件。對(duì)于薄翼小擾動(dòng)問題，阿克萊特（Arkwright）在1925年提出了二維線化機(jī)翼理論，以后又相應(yīng)地出現(xiàn)了三維機(jī)翼的線化理論。這些超聲速流的線化理論圓滿地解決了流動(dòng)中小擾動(dòng)的影響問題。

在飛行速度或流動(dòng)速度接近聲速時(shí)，飛行器的氣動(dòng)性能發(fā)生急劇變化，阻力突增，升力驟降。飛行器的操縱性和穩(wěn)定性極度惡化，這就是航空史上著名的聲障。大推力發(fā)動(dòng)機(jī)的出現(xiàn)沖過了聲障，但并沒有很好地解決復(fù)雜的跨聲速流動(dòng)問題。直至20世紀(jì)60年代以后，由于跨聲速巡航飛行、機(jī)動(dòng)飛行，以及發(fā)展高效率噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的要求，跨聲速流動(dòng)的研究更加受到重視，并有很大的發(fā)展。

人造衛(wèi)星的研制推動(dòng)空氣動(dòng)力學(xué)的發(fā)展

由于在高溫條件下會(huì)引起飛行器表面材料的燒蝕和質(zhì)量的引射，需要研究高溫氣體的多相流。空氣動(dòng)力學(xué)的發(fā)展出現(xiàn)了與多種學(xué)科相結(jié)合的特點(diǎn)。空氣動(dòng)力學(xué)發(fā)展的另一個(gè)重要方面是實(shí)驗(yàn)研究，包括風(fēng)洞等各種實(shí)驗(yàn)設(shè)備的發(fā)展和實(shí)驗(yàn)理論、實(shí)驗(yàn)方法、測(cè)試技術(shù)的發(fā)展。世界上第一個(gè)風(fēng)洞是英國的韋納姆(Wenham)在1871年建成的。到今天適用于各種模擬條件、目的、用途和各種測(cè)量方式的風(fēng)洞已有數(shù)十種之多，風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容極為廣泛。

20世紀(jì)40年代后期的風(fēng)洞控制系統(tǒng)已由早期簡單的手控設(shè)備發(fā)展成為部分電子控制設(shè)備。60年代以來，在風(fēng)洞測(cè)控技術(shù)、儀器、測(cè)量項(xiàng)目、種類、精度要求、計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制和記錄以及結(jié)果處理方面，都有很大的發(fā)展。模擬雷諾數(shù)的實(shí)驗(yàn)也引起人們的重視。

20世紀(jì)70年代以來，激光技術(shù)、電子技術(shù)和電子計(jì)算機(jī)的迅速發(fā)展，極大地提高了空氣動(dòng)力學(xué)的實(shí)驗(yàn)水平和計(jì)算水平，促進(jìn)了對(duì)高度非線性問題和復(fù)雜結(jié)構(gòu)（如湍流）的流動(dòng)的研究。

除了上述由航空航天事業(yè)的發(fā)展推進(jìn)空氣動(dòng)力學(xué)的發(fā)展之外，60年代以來，由于交通、運(yùn)輸、建筑、氣象、環(huán)境保護(hù)和能源利用等多方面的發(fā)展，出現(xiàn)了工業(yè)空氣動(dòng)力學(xué)等分支學(xué)科。

研究方法

空氣動(dòng)力學(xué)的研究，分理論和實(shí)驗(yàn)兩個(gè)方面。理論和實(shí)驗(yàn)研究兩者彼此密切結(jié)合，相輔相成。理論研究所依據(jù)的一般原理有：運(yùn)動(dòng)學(xué)方面，遵循質(zhì)量守恒定律；動(dòng)力學(xué)方面，遵循牛頓第二定律；能量轉(zhuǎn)換和傳遞方面，遵循能量守恒定律；熱力學(xué)方面，遵循熱力學(xué)第一和第二定律；介質(zhì)屬性方面，遵循相應(yīng)的氣體狀態(tài)方程和粘性、導(dǎo)熱性的變化規(guī)律等等。

它力學(xué)分支學(xué)科

靜力學(xué)、動(dòng)力學(xué)、流體力學(xué)、分析力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)、固體力學(xué)、材料力學(xué)、復(fù)合材料力學(xué)、流變學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、彈性力學(xué)、塑性力學(xué)、爆炸力學(xué)、磁流體力學(xué)、空氣動(dòng)力學(xué)、理性力學(xué)、物理力學(xué)、天體力學(xué)、生物力學(xué)、計(jì)算力學(xué)

物理學(xué)分支

物理學(xué)概覽、力學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)、聲學(xué)、電磁學(xué)、核物理學(xué)、固體物理學(xué)

研究內(nèi)容

在低速空氣動(dòng)力學(xué)中，介質(zhì)密度變化很小，可視為常數(shù)，使用的基本理論是無粘二維和三維的位勢(shì)流、翼型理論、升力線理論、升力面理論和低速邊界層理論等；對(duì)于亞聲速流動(dòng)，無粘位勢(shì)流動(dòng)服從非線性橢圓型偏微分方程，研究這類流動(dòng)的主要理論和近似方法有小擾動(dòng)線化方法，普朗特-格勞厄脫法則、卡門-錢學(xué)森公式和速度圖法，在粘性流動(dòng)方面有可壓縮邊界層理論；對(duì)于超聲速流動(dòng)，無粘流動(dòng)所服從的方程是非線性雙曲型偏微分方程。

在超聲速流動(dòng)中，基本的研究內(nèi)容是壓縮波、膨脹波、激波、普朗特-邁耶爾流動(dòng)（壓縮波與膨脹波的基本關(guān)系模型及其函數(shù)模型）、錐型流，等等。主要的理論處理方法有超聲速小擾動(dòng)理論、特征線法和高速邊界層理論等。跨聲速無粘流動(dòng)可分外流和內(nèi)流兩大部分，流動(dòng)變化復(fù)雜，流動(dòng)的控制方程為非線性混合型偏微分方程，從理論上求解困難較大。

高超聲速流動(dòng)的主要特點(diǎn)是高馬赫數(shù)和大能量，這些特點(diǎn)是流動(dòng)具有一般超音速流動(dòng)所沒有的流體動(dòng)力特征和物理化學(xué)變化。在高超聲速流動(dòng)中，真實(shí)氣體效應(yīng)和激波與邊界層相互干擾問題變得比較重要。高超聲速流動(dòng)分無粘流動(dòng)和高超聲速粘性流兩大方面。

工業(yè)空氣動(dòng)力學(xué)主要研究在大氣邊界層中，風(fēng)同各種結(jié)構(gòu)物和人類活動(dòng)間的相互作用，以及大氣邊界層內(nèi)風(fēng)的特性、風(fēng)對(duì)建筑物的作用、風(fēng)引起的質(zhì)量遷移、風(fēng)對(duì)運(yùn)輸車輛的作用和風(fēng)能利用，以及低層大氣的流動(dòng)特性和各種顆粒物在大氣中的擴(kuò)散規(guī)律，特別是湍流擴(kuò)散的規(guī)律，等等。

分類

通常所說的空氣動(dòng)力學(xué)研究內(nèi)容是飛機(jī)，導(dǎo)彈等飛行器在各種飛行條件下流場(chǎng)中氣體的速度、溫度、壓力和密度等參量的變化規(guī)律，飛行器所受的升力和阻力等空氣動(dòng)力及其變化規(guī)律，氣體介質(zhì)或氣體與飛行器之間所發(fā)生的物理化學(xué)變化以及傳熱傳質(zhì)規(guī)律等。從這個(gè)意義上講，空氣動(dòng)力學(xué)可有兩種分類法：

1）根據(jù)流體運(yùn)動(dòng)的速度范圍或飛行器的飛行速度，空氣動(dòng)力學(xué)可分為低速空氣動(dòng)力學(xué)和高速空氣動(dòng)力學(xué)。通常大致以400千米/小時(shí)（這一數(shù)值接近于地面1atm，288.15K下0.3Ma的值）這一速度作為劃分的界線。在低速空氣動(dòng)力學(xué)中，氣體介質(zhì)可視為不可壓縮的，對(duì)應(yīng)的流動(dòng)稱為不可壓縮流動(dòng)。大于這個(gè)速度的流動(dòng)，須考慮氣體的壓縮性影響和氣體熱力學(xué)特性的變化。這種對(duì)應(yīng)于高速空氣動(dòng)力學(xué)的流動(dòng)稱為可壓縮流動(dòng)。

2）根據(jù)流動(dòng)中是否必須考慮氣體介質(zhì)的粘性，空氣動(dòng)力學(xué)又可分為理想空氣動(dòng)力學(xué)(或理想氣體動(dòng)力學(xué))和粘性空氣動(dòng)力學(xué)。

除了上述分類以外，空氣動(dòng)力學(xué)中還有一些邊緣性的分支學(xué)科。例如稀薄氣體動(dòng)力學(xué)、高溫氣體動(dòng)力學(xué)等。