空气动力学发展概述：详细解读与要点

空气动力学发展概述

空气动力学是研究物体与空气之间存在相对运动时，即物体在空气中运动或物体静止且空气从物体周围经过时，空气的运动和受力的学科。传统空气动力学是指飞机的空气动力学，特别是普通飞机的空气动力学。空气对移动的飞机施加的部分力表现为升力，即使飞机“保持”在空中的力。另一部分则体现为阻力，对飞行器的飞行起到阻力作用。

人们在研究空气动力学问题时，常常根据相对飞行原理，将飞机在空气中的运动等同于飞机周围静止空气的运动。相对飞行原理是指飞行器在静止空气中以一定速度做匀速直线运动时，飞行器与空气之间的相对运动规律和相互作用力与飞行器固定，让空气以一定的速度运动。以相同的大小和相反的方向移动。通过飞机的速度流是等效的，如图1所示。

图1 飞机等效飞行原理

相对飞行原理为空气动力学的研究提供了方便。相对飞行原理是空气动力学实验的基本原理。在实验研究中，人们可以固定飞机模型，人为地在模型中产生笔直、均匀的气流，以观察流动现象，测量模型上的气动力，进行实验空气动力学研究，让气流通过风洞。测试。流动比移动物体更容易实现（见图 2）。

图2 飞机比例模型风洞试验

早在意大利文艺复兴时期，意大利全能科学家列奥纳多·达·芬奇（ da Vinci，1452-1519，如图3）就研究了鸟类飞行的原理，并给出了一些定性概念。随后，英国凯利、美国兰利、德国利琳达等著名科学家进行了进一步深入的研究。英国人乔治·凯利（Kelly，1773-1857，如图4）被誉为古典空气动力学之父。他对鸟类飞行原理进行了大量研究。通过对鸟翼面积、鸟重和飞行情况的分析，在对速度的观测的基础上，估计了速度、翼面积和升力之间的关系，提出人造飞行器应分别考虑推进功率和升力面。美国人兰利（，1834-1906，如图5）提出了计算机翼升力的公式。德国工程师兼滑翔机飞行员利林达尔（Otto，1848-1896，如图6）开始制造滑翔机。他是固定翼滑翔机制造和实践的航空先驱之一，并在柏林附近进行了 2000 多次试飞。 ，积累了丰富的资料，为美国莱特兄弟日后实现动力飞行提供了宝贵的经验。

图3 迪·达·芬奇（1452-1519）

达·芬奇是意大利文艺复兴时期的博学者：在绘画、音乐、建筑、数学、几何、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、光学等领域都有显着的成就、机械、发明和土木工程。他的才华也许高于同时期的其他人物，这使他成为文艺复兴时期人文主义的代表，也是文艺复兴时期的典型艺术家。他也是历史上与米开朗基罗齐名的最著名的画家之一。奇罗与拉斐尔并称为文艺复兴三杰。小行星 3000 被命名为“莱昂纳多”，以纪念莱昂纳多·达·芬奇。

图4 英国空气动力学家乔治·凯利（Kelly，1773-1857）

奥维尔·赖特曾说过：“我们的成功完全归功于那位英国绅士乔治·凯利，他撰写了有关航空原理的著作。他出版的著作可以说是没有错误的，确实是科学上最伟大的文献。”西方空气动力学专家称乔治·凯利为空气动力学之父。

图5 美国科学家塞缪尔·兰利（ ，1834-1906）

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

图6 德国工程师、滑翔机飞行员利琳达（奥托，1848-1896）

利林达尔是德国工程师、滑翔机飞行员，世界航空先驱之一，是第一个设计和制造实用滑翔机的人。他一生进行了2000多次滑翔飞行试验，为人类能够翱翔蓝天做出了杰出贡献。他被称为“世界滑翔机之父”。

20世纪，人类创建了较为完整的空气动力学科学体系并得到蓬勃发展。美国莱特兄弟（威尔伯·莱特，1867-1912；奥维尔·莱特，1871-1948，如图7）是两兄弟，既有实践经验，又有理论知识，富有想象力和远见卓识的工程师，奥维尔·莱特成功地1903年12月27日首次驾驶他们设计制造的“飞行员一号”。这是人类历史上第一架动力、有人驾驶、持续、稳定和可控的飞机。飞机。这开创了动力飞行的新时代。随后，飞机的发展促进了空气动力学的快速发展。 1906年，朱可夫斯基（1847-1921，如图8）发表了著名的升力公式，为二维机翼理论奠定了基础，并提出了以他的名字命名的翼型。 1904年至1921年，普朗特（1875-1953，如图9）提出了边界层理论、薄翼理论和大展弦比机翼的升力线理论。从20世纪20年代到1930年代，空气动力学理论和实验迅速发展。在各种飞机的研制上建造了许多低速风洞，并进行了大量的实验，从而大大提高了飞机的性能。气动外形使飞机的飞行速度从50m/s提高到170m/s，而无需大幅增加飞机功率。 1925年，阿克莱特（）导出了翼型的超音速线性化理论。 1939年，提出了亚音速三维翼型的相似律。同时，普朗特和格洛弗提出了亚音速压缩性修正定律。 1944年，冯·卡门（von Kármán，1881-1963，如图10）和钱学森（1911-2009，如图11）利用速度图方法提出了-（ ）定律，这是一种较为精确的修正定律用于亚音速压缩性。 1946年，钱学森首先提出高超声速相似率。从20世纪30年代到1940年代，人类建造了多个超音速风洞，让飞机在1940年代末突破“音障”，然后在1950年代突破“热障”。 ，实现了超音速飞行和人造卫星。

图7 美国飞机发明家莱特兄弟（ ，1867-1912，左图）和奥维尔·莱特（ ，1871-1948）

莱特兄弟出生于印第安纳州和俄亥俄州，是美国航空先驱和亲生兄弟，奥维尔·莱特 ( ) 和威尔伯·莱特 ( )。 1903年12月17日，莱特兄弟试飞了自行研制的固定翼飞机[[一种比空气重的飞机，能够持续、受控动力飞行，被广泛认为是现代飞机的发明者。

图8 俄罗斯科学家尼古拉·叶戈罗维奇·茹科夫斯基（1847年1月-1921年1月）

尼古拉·叶戈罗维奇·茹科夫斯基，俄罗斯科学家、现代空气动力学和航空科学的先驱，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、天文学等领域做出了贡献。他研究偏微分方程及其近似积分方法，并且是第一个将复杂函数广泛应用于空气动力学和流体力学的人。

图9 德国科学家、世界流体力学大师路德维希·普朗特（1875～1953）

路德维希·普朗特，德国机械师。现代力学的奠基人之一。普朗特在流体力学方面的主要贡献包括： (1)边界层理论。他在观察和实验的基础上，提出了物体周围流动的小粘性边界层方程，为计算摩擦阻力、解决分离区和热交换问题奠定了基础。普朗特的边界层理论将理论与实验结合起来，为现代流体力学奠定了基础。边界层理论标志着应用数学奇异摄动方法的开始。 (2)风洞实验技术。 (3)翼理论。 (4)湍流理论。

图10 美国科学家西奥多·冯·卡门（Von. Kármán, 1881-1963）

西奥多·冯·卡门（ von Kármán）是一位匈牙利裔美国工程师和物理学家，主要从事航空航天力学研究。他是工程力学和航空技术领域的权威。对于二十世纪流体力学和空气动力学理论及应用的发展，他尤其对超音速和高超音速气流的表征，以及亚音速和超音速航空和航天器的设计产生了重大影响。他是喷气推进实验室（JPL）的创始人和首任主任。他也是钱学森、胡宁、郭永怀、林家桥在加州理工学院时的导师。他的特别贡献包括非弹性弯曲、环形流中的非定常尾流、层流稳定性、湍流、稳定和非定常流中的翼型、边界层和超音速空气动力学。他还在其他领域做出了贡献，包括弹性、振动、传热和晶体学。

图11 中国科学家钱学森（1911-2009）

钱学森，汉族，吴越王钱镠第三十三孙。出生于上海，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、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”、“航天之父”中国导弹之父”、“中国自动控制之父”、“火箭之王”自从钱学森回国任职以来，中国的导弹和原子能发射事业。炸弹已经向前发展了至少20年。

20世纪50年代后，随着计算机的出现和发展，计算空气动力学迅速发展，理论、实验、计算成为飞机设计不可或缺的方式。飞机空气动力学根据所研究的流动问题的速度可以分为几类。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。高速范围根据音速这一重要参考量分为几个部分：研究低于音速的飞行速度称为亚音速空气动力学，研究超过音速的飞行速度称为超音速空气动力学，而研究围绕音速飞行的速度问题就称为跨音速空气动力学。当洲际导弹和航天器重新进入大气层时，其速度将在短时间内达到音速的十倍以上。这种类型的飞行称为高超音速飞行。一般来说，以大于五倍音速的速度飞行称为高超声速飞行，而处理这个问题称为高超声速空气动力学。此外，还有外层大气稀薄气体力学研究、外层大气电离空气磁流体动力学研究等。

关于作者

刘培清，男，1982年于华北水利水电大学获学士学位，1989年于河海大学获硕士学位，1995年于清华大学获博士学位。1997年起在流体公司工作。北京航空航天大学研究院. 2000年至今，担任流体力学教育部重点实验室责任教授、博士生导师。 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、中国力学学会流量显示专业委员会副主任、全国流体力学专业委员会工业组组长。长期从事飞机气动实验和数值模拟研究工作。国家精品课程《空气动力学》负责人、国家航天实验教学示范中心主任、《空气动力学学报》编委。