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空气动力学发展概述

作者:币游 发布时间:2020-11-23 04:58 点击数:

  空气动力学是研究物体与空气之间有相对运动时,即物体在空气中运动或物体不动空气绕过物体时,空气的运动及作用力的规律。传统的空气动力学是指飞行器的空气动力学,尤其是普通飞机的空气动力学。空气对运动飞机的作用力一部分体现为升力,使飞机“托住”在空气里的作用力。另一部分,体现为阻力,对飞机的飞行起阻力作用。

  人们在研究空气动力学问题时,常依据相对飞行原理,将飞行器穿过空气的运动等效为飞行器不动空气绕过飞行器的运动。相对飞行原理是指,当飞行器以某一速度在静止空气中做均速直线运动时,飞行器与空气的相对运动规律和相互作用力,与飞行器固定不动而让空气以同样大小和相反方向的速度流过飞行器的情况是等效的,如图1所示。

  相对飞行原理,为空气动力学的研究提供了便利,相对飞行原理是空气动力学实验的基本原理。人们在实验研究时,可以将飞行器模型固定不动,人工制造直匀气流流过模型,以便观察流动现象,测量模型受到的空气动力,进行试验空气动力学研究,而且在风洞试验中让空气流动要比让物体移动更容易实现(如图2所示)。

  早在意大利文艺复兴时期,意大利全才科学家达·芬奇(1452~1519年,如图3所示)就对鸟的飞行原理进行了研究,给出一些定性的概念。后来英国凯利、美国兰利和德国李林达尔等著名科学家进一步更深入的研究。英国乔治·凯利(George Kelly ,1773~1857年,如图4所示)被称为经典空气动力学之父,对鸟类飞行原理进行了大量的研究,通过对鸟翼面积、鸟的体重和飞行速度的观察,估算出速度、翼面积和升力之间的关系,提出人造飞行器应该将推进动力和升力面分开考虑。美国兰利(Langley , Samuel Pierpont,1834~1906年,如图5所示)提出了机翼升力计算公式。德国工程师和滑翔飞行家李林达尔(Otto Lilienthal,1848~1896年,如图6所示)开始制造滑翔机,他是制造与实践固定翼滑翔机的航空先驱者之一,并在柏林附近试飞2000多次,积累了丰富的资料,为日后美国莱特兄弟实现动力飞行提供了宝贵的经验。

  达芬奇是意大利文艺复兴时期的一个博学者:在绘画、音乐、建筑、数学、几何学、解剖学、生理学、动物学、植物学、天文学、气象学、地质学、地理学、物理学、光学、力学、发明、土木工程等领域都有显著的成就。他的天赋或许比同时期的其他人物都高,这使他成为文艺复兴时期人文主义的代表人物,也使得他成为文艺复兴时期典型的艺术家,也是历史上最著名的画家之一,与米开朗基罗和拉斐尔并称文艺复兴三杰。小行星3000为纪念达·芬奇而被命名为“列奥纳多”。

  奥维尔·莱特曾说:“我们的成功完全要感谢那位英国绅士乔治·凯利,他写的有关航空的原理,他出版的著作,可以说毫无错误,实在是科学上最伟大的文献。”西方一些研究空气动力学的专家称乔治·凯利为空气动力学之父。

  塞缪尔·兰利,美国天文学家、物理学家、数学家,航空先驱,测热辐射计的发明者,史密森博物馆馆长。

  李林达尔,德国工程师和滑翔飞行家、世界航空先驱者之一,最早设计和制造出实用的滑翔机。一生进行过2000多次滑翔飞行试验,为人类翱翔蓝天做出了卓越贡献,被称为“世界滑翔机之父”。

  进入二十世纪人类创建了空气动力学较完整的科学体系,并得到了蓬勃的发展。美国莱特兄弟(威尔伯·莱特,Wilbur Wright,1867~1912年;奥维尔·莱特,Orville Wright,1871~1948年,如图7所示)是两个既有实践经验又有理论知识,且富有想象力和远见的工程师,1903年12月27日,奥维尔·莱特驾驶他们设计制造“飞行者一号”首次试飞成功,这是人类历史上第一架有动力、载人、持续、稳定、可操纵的飞行器。从此开创了动力飞行的新纪元。其后,飞机的发展推动了空气动力学的迅速发展。1906年,儒可夫斯基(Joukowski,1847年~1921年,如图8所示)发表了著名的升力公式,奠定了二维机翼理论的基础,并提出以他名字命名的翼型。1904-1921年,普朗特(Ludwig Prandtl,1875~1953年,如图9所示)提出边界层理论、薄翼理论和大展弦比机翼的升力线理论等。二十世纪二十年到三十年代,空气动力学的理论和实验得到迅速发展,所建造的许多低速风洞,对各种飞行器研制进行了大量的实验,从而很大程度上改进了飞机的气动外形,实现了飞机动力增加不大的情况下,使飞机的飞行速度从50m/s增大到170m/s。1925年阿克莱特(Ackeret)导出翼型的超声速线年戈泰特提出了亚声速三维机翼的相似法则,于此同时普朗特和葛劳渥提出亚声速压缩性修正法则。1944年冯·卡门(Theodore von Kármán,1881年~1963年,如10所示)和钱学森(1911~2009年,如图11所示)采用速度图法,提出了比普朗特-葛劳渥(Glauert)法则更为精确的亚声速压缩性修正律,1946年钱学森首先提出高超声速相似率。二十世纪三十年至四十年代,人类建造了一批超声速风洞,使飞机在二十世纪四十年代末突破了“声障”,二十世纪五十年代随后突破了“热障”,实现了超声速飞行和人造卫星。

  莱特兄弟,生于美国印第安那州及俄亥俄州,美国航空先驱、亲生兄弟奥维尔·莱特(Orville Wright)和威尔伯·莱特(Wilbur Wright)。1903年12月17日莱特兄弟驾驶自行研制的固定翼飞机[[飞行重于空气的航空器持续而且受控的动力飞行,被广泛誉为现代飞机的发明者。

  图8俄罗斯科学家尼古拉·叶戈罗维奇·儒可夫斯基(Joukowski,1847年1月~1921年)

  尼古拉·叶戈罗维奇·茹科夫斯基,俄罗斯科学家,现代空气动力学与航空科学的开拓者,被列宁称为“俄罗斯航空之父”。茹科夫斯基在空气动力学、航空科学、水力学、水文地理学、力学、数学、天文学等领域都作出了贡献。他研究了偏微分方程及其近似积分法,并首先将复变函数广泛地应用于空气动力学与流体力学。

  路德维希.普朗特德国力学家。近代力学奠基人之一。普朗特在流体力学方面的主要贡献有:(1)边界层理论。他在观察、实验的基础上,提出绕物体流动的小粘性边界层方程,为计算摩擦阻力、求解分离区和热交换等问题奠定了基础。普朗特的边界层理论把理论和实验结合起来,奠定了现代流体力学的基础。边界层理论在应用数学上标志着奇异摄动法的开端。(2)风洞实验技术。(3)机翼理论。(4)湍流理论。

  图10 美籍科学家 西奥多·冯·卡门(Von.Kármán,1881年~1963年)

  西奥多·冯·卡门匈牙利裔美国工程师和物理学家,主要从事航空航天力学方面的工作,是工程力学和航空技术的权威,对于二十世纪流体力学、空气动力学理论与应用的发展,尤其是在超声速和高超声速气流表征方面,以及亚声速与超声速航空、航天器的设计,产生了重大影响。他是喷射推进实验室(JPL)的创建人、首位主任,也曾是钱学森、胡宁、郭永怀、林家翘在加州理工学院时的导师。他特别的贡献包括非弹性弯曲,环筒流的非定常尾迹,层流稳定性,紊流,定常和非定常流中的翼型,边界层以及超音速空气动力学。在其他领域他也有贡献,包括弹性,振动,传热和结晶学。

  钱学森,汉族,吴越王钱镠第33世孙,生于上海,祖籍浙江省杭州市临安。世界著名科学家,空气动力学家,中国载人航天奠基人,中国科学院及中国工程院院士,中国两弹一星功勋奖章获得者,被誉为“中国航天之父”“中国导弹之父”“中国自动化控制之父”和“火箭之王”,由于钱学森回国效力,中国导弹、的发射向前推进了至少20年。

  二十世纪五十年代以后,随着计算机的出现和发展,使计算空气动力学得到迅速的发展,理论、实验、计算成为飞行器设计必不可少的途径。飞行器空气动力学按照所研究的流动问题速度的大小又可划分为几类。处理低速问题的称为低速空气动力学,处理高速问题的称为高速空气动力学。高速范围内根据声速这一重要的参考量又分为几个部分:研究飞行速度低于声速的称为亚声速空气动力学,超过声速的称为超声速空气动力学,而研究声速左右的飞行速度的问题则称为跨声速空气动力学。洲际导弹和宇宙飞船重返大气时,起初短时间内速度将在声速的十倍以上,这类飞行称为高超声速飞行。一般规定飞行速度大于五倍声速的叫高超声速飞行,处理这方面问题的称为高超声速空气动力学。此外还有研究外层大气中的稀薄气体力学,研究在外层大气中离子化的空气磁流体动力学等等。

  刘沛清,男,1982年在华北水利水电大学获学士学位。1989年在河海大学获硕士学位,1995年在清华大学获博士学位。1997年至今,在北京航空航天大学流体所工作。2000年-至今,任教育部流体力学重点实验室责任教授,博士生指导教师。2003年至2012年,任航空科学与工程学院副院长。现任中国空气动力学学会理事,中国力学学会流动显示委员会副主任委员,全国流体力学委员会工业组长。长期从事飞行器空气动力学实验和数值模拟等研究工作。《空气动力学》国家级精品课程负责人,国家级航空航天实验教学示范中心主任,空气动力学学报编委。返回搜狐,查看更多


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