空氣動力學 - Wikiwand
For faster navigation, this Iframe is preloading the Wikiwand page for 空氣動力學.

空氣動力學

維基百科,自由的百科全書

此條目部分連結不符合格式手冊規範。跨語言連結及章節標題等處的連結可能需要清理。 (2015年12月11日)請協助改善此條目。參見WP:LINKSTYLE、WP:MOSIW以了解細節。突出顯示跨語言連結可以便於檢查。

空氣動力學(英語:Aerodynamics),是流體力學與氣體動力學的一個分支,主要研究物體在空氣運動時所產生的各種。空氣動力學與氣體動力學常常混用,但後者研究的氣體不局限於空氣。

  • 空氣動力學因為討論的狀況接近真實流體,考慮了真實流體的黏滯性、可壓縮性、三維運動等特點,所以得到的計算方程式比較複雜,通常為非線性偏微分方程式形式。這種方程在絕大多數的情況下都難以求得解析解的,加之早期計算技術還比較落後,所以當時大多是以實驗的方式來求得所需的數據。
  • 隨着計算機技術的迅速發展,使用計算機進行大量數值運算來求解空氣動力學方程式成為可能。利用數值法以及計算流體力學方法,可以求出非線性偏微分方程的數值解,得到所需要的各種數據,從而省去了大量的實驗成本。由於數學模型的不斷完善以及計算機計算能力的不斷提高,現在已經可以採用電腦模擬流場的方式來取代部分空氣動力學實驗。

基本概念

連續性假設

氣體是由微觀上不斷作熱運動並相互碰撞的分子組成的。然而在空氣動力學中,氣體被假定為連續的。這是因為氣體的各種性質如密度、壓力、溫度以及速度在無限小的點上有很好的定義,而且從一點到另一點是連續變化的。氣體的離散性和原子性可以忽略不計,所以從宏觀上來講,氣體是可以被看成具有連續性的物質。當然氣體非常稀薄時,連續性假設不再成立,此時採用統計力學研究是一種更好的選擇。

守恆定律

空氣動力學問題的求解依賴於氣體在三個方面的守恆:

  • 質量守恆:只有在氣體的速度高至必須考慮相對論效應時此定律才會失效。
  • 動量守恆:由牛頓第二定律推導可得。
  • 能量守恆:在不考慮粘性時,即機械能守恆;在必須考慮粘性的情況下,即機械能和熱能的守恆。

相關術語

機翼旁不同流體分析:  位流理論   邊界層理論  紊流 尾流(wake flow)分析
機翼旁不同流體分析:
  位流理論
  邊界層理論
  紊流 尾流(wake flow)分析

不可壓縮以及可壓縮流體常具有以下相關術語所描述的現象產生,例如邊界層、紊流。

附面層流動

附面層(又叫邊界層)是一個非常重要的概念。1904年,德國著名科學家普朗特(Prandtl)首先提出邊界層的概念[1]。它來源於這樣一個基本事實:通常情況下,空氣的粘性或摩擦作用只在靠近物體表面很薄的一個區域內起主要作用,離開這個區域,粘性的影響急劇下降。我們稱這樣一個很小的區域為附面層(邊界層)。

邊界層概念的提出,使得許多以前難以求解的問題變得可以求解,因為我們只需要在很小的一個區域考慮粘性的影響,就可求解納維-斯托克斯方程。而在其他區域,只需要求解勢流或者求解描述無粘性流體運動的歐拉方程。眾所周知,勢流和歐拉方程的求解難度遠遠低於納維-斯托克斯方程。

紊流

紊流在空氣動力學是指流體具有隨機變化的性質,包含低程度動量擴散、高度動量對流、急速壓力以及流體速度變化等。流體不是紊流則為層流

分支學科

空氣動力問題可以藉由流體速度與音速的大小關係而劃分。當流體速度低於音速時,即為亞音速;當流體速度接近或略超過音速(通常是特徵速度約略等於音速),即為跨音速;超音速是當流動速度大於音速時的情況;極音速是指流體速度較音速還高出許多的狀態。空氣動力學者對於極音速的精準定義持不同意意見,但這個詞通常指的是5馬赫(5倍音速)或更高的速度。[2]

亞音速空氣動力學

亞音速空氣動力學大量用於賽車和部分商用車設計
亞音速空氣動力學大量用於賽車和部分商用車設計

當流體流動速度小於音速時,我們稱之為亞音速流動。更進一步,當馬赫數(即流體速度與音速之比)小於 0.3時,氣體的可壓縮性可以忽略不計,可視空氣為不可壓縮流。

20世紀初期,汽車比剛發明不久的飛機速度更快,更早超過時速兩百公里,當時賽車的空氣力學比飛機進步。

跨音速空氣動力學

當流體速度接近或略超過音速(即馬赫數約等於1時),我們稱之為跨音速流動。跨音速流動的典型特徵是激波膨脹波。在其區域內,流體的各種性質發生劇烈變化,幅度之大,以至於我們可以認為通過激波的流體是不連續的。

跨音速流動要比單純的亞音速和超音速都要複雜。

電腦模擬的美國太空總署X-43A飛行器空氣力學模型
電腦模擬的美國太空總署X-43A飛行器空氣力學模型

超音速空氣動力學

超音速空氣動力學研究當流動速度大於音速時的情況。比如計算協和飛機在巡航狀態下的升力就是一個超音速空氣動力學問題。

超音速流動和亞音速流動有着顯著的不同。在亞音速時,壓力波動可以從流場後方傳遞至前方,而在超音速時,壓力波動則無法傳遞至上游。這樣,流體性質的變化便被壓縮在一個極小的範圍內,也就形成了所謂的激波

激波會將大量的機械能轉化成熱能。伴隨着高粘性(參照雷諾數)流體的可壓縮特性,激波的出現,是亞音速和超音速空氣動力學的基本區別。

其他領域中的空氣動力學

除航空航天外,空氣動力學在其他領域也有非常重要的應用。在包括汽車在內的所有交通工具的設計中,它都是一個很重要的因素。大型建築物涉及到風載荷,市內空氣動力學研究城市的微氣候環境,環境空氣動力學研究大氣環流和飛行對生態系統的影響。還有引擎設計所涉及的熱流和內流也是空氣動力學非常重要的一個方面。

參考文獻

  1. ^ Notice: Third International Congress of Mathematicians at Heidelberg, August, 1904. The Mathematical Gazette. 1904-07, 3 (46): 49. ISSN 0025-5572. doi:10.1017/s0025557200114536. 
  2. ^ Anderson, John David. A History of Aerodynamics and its Impact on Flying Machines. New York, NY: Cambridge University Press. 1997. ISBN 0-521-45435-2. 

外部連結

參見

{{bottomLinkPreText}} {{bottomLinkText}}
空氣動力學
Listen to this article