流體力學(xué)對(duì)航空航天發(fā)展的作用

21141P：王強(qiáng)〔３０〕冒佳彬程飛菲李偉偉王晶王強(qiáng)〔３１〕流體力學(xué)對(duì)航空航天發(fā)展的作用流體力學(xué)的研究對(duì)象及意義今天我給大家講的題目是流體力學(xué)對(duì)航空航天技術(shù)開展的作用，我希望能夠在比較短的時(shí)間以內(nèi)，讓同學(xué)們知道和了解流體力學(xué)的作用。在一定的外界條件下，根據(jù)組成物質(zhì)的分子間距離和相互作用力強(qiáng)弱的不同，將物質(zhì)劃分為固體、液體和氣體，而根據(jù)物質(zhì)的受力和運(yùn)動(dòng)特性的不同，物質(zhì)又可劃分為固體和流體。流體包括液體和氣體。固體既能承受法向力〔包括壓力和拉力〕，又能承受切向力，在彈性范圍內(nèi)作用力使固體產(chǎn)生有限的變形，作用力消失，變形消失，固體恢復(fù)到原來(lái)的形狀；流體只能承受壓力，不能承受拉力，在靜止流體中只要有切向力的作用，不管它多么小，在足夠大的時(shí)間內(nèi)流體將產(chǎn)生連續(xù)不斷的變形。這種變形就是我們所說(shuō)的流動(dòng)。因此，也稱能流動(dòng)的物質(zhì)為流體。水、空氣、酒精、滑油等是常見的流體。流體力學(xué)，是研究流體(液體和氣體)的力學(xué)運(yùn)動(dòng)規(guī)律及其應(yīng)用的學(xué)科。主要研究在各種力的作用下，流體本身的狀態(tài)，以及流體和固體壁面、流體和流體間、流體與其他運(yùn)動(dòng)形態(tài)之間的相互作用的力學(xué)分支。流體力學(xué)是力學(xué)的一個(gè)重要分支，它主要研究流體本身的靜止?fàn)顟B(tài)和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，以及流體和固體界壁間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)的相互作用和流動(dòng)的規(guī)律。在生活、環(huán)保、科學(xué)技術(shù)及工程中具有重要的應(yīng)用價(jià)值。流體力學(xué)中研究得最多的流體是水和空氣。它的主要根底是牛頓運(yùn)動(dòng)定律和質(zhì)量守恒定律，常常還要用到熱力學(xué)知識(shí)，有時(shí)還用到宏觀電動(dòng)力學(xué)的根本定律、本構(gòu)方程和高等數(shù)學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)的根底知識(shí)。1738年伯努利出版他的專著時(shí)，首先采用了水動(dòng)力學(xué)這個(gè)名詞并作為書名；1880年前后出現(xiàn)了空氣動(dòng)力學(xué)這個(gè)名詞；1935年以后，人們概括了這兩方面的知識(shí)，建立了統(tǒng)一的體系，統(tǒng)稱為流體力學(xué)。流體力學(xué)流體力學(xué)對(duì)航空航天開展的作用機(jī)翼理論和邊界層理論的開展湍流對(duì)航空航天的開展航空空氣動(dòng)力學(xué)20世紀(jì)初，飛機(jī)的出現(xiàn)極大地促進(jìn)了空氣動(dòng)力學(xué)的開展。航空事業(yè)的開展，期望能夠揭示飛行器周圍的壓力分布、飛行器的受力狀況和阻力等問題，這就促進(jìn)了流體力學(xué)在實(shí)驗(yàn)和理論分析方面的開展。20世紀(jì)初，以儒科夫斯基、恰普雷金、普朗特等為代表的科學(xué)家，開創(chuàng)了以無(wú)粘不可壓縮流體位勢(shì)流理論為根底的機(jī)翼理論，說(shuō)明了機(jī)翼怎樣會(huì)受到舉力，從而空氣能把很重的飛機(jī)托上天空。機(jī)翼理論的正確性，使人們重新認(rèn)識(shí)無(wú)粘流體的理論，肯定了它指導(dǎo)工程設(shè)計(jì)的重大意義。機(jī)翼理論和邊界層理論的建立和開展是流體力學(xué)的一次重大進(jìn)展，它使無(wú)粘流體理論同粘性流體的邊界層理論很好地結(jié)合起來(lái)。20世紀(jì)40年代以后，由于噴氣推進(jìn)和火箭技術(shù)的應(yīng)用，飛行器速度超過聲速，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了航天飛行，使氣體高速流動(dòng)的研究進(jìn)展迅速，形成了氣體動(dòng)力學(xué)、物理-化學(xué)流體動(dòng)力學(xué)等分支學(xué)科。機(jī)翼理論和邊界層的開展流體力學(xué)中最普遍的現(xiàn)象是湍流，而湍流機(jī)制那么是最根本的問題，曾吸引眾多的力學(xué)家、物理學(xué)家和數(shù)學(xué)家從事研究，如:普朗特，柯莫戈羅夫Kolmogorov〕，蘭道〔Landau〕等。經(jīng)過多代人的研究，經(jīng)歷了唯象理論、統(tǒng)計(jì)理論、模式理論直至今天的直接數(shù)值模擬等階段，對(duì)這一問題的認(rèn)識(shí)已大為深化。航天飛行器在大氣層內(nèi)飛行時(shí),常常遇到湍流問題,湍流已成為現(xiàn)代飛元素之一。而由于現(xiàn)代飛行器越來(lái)越要求精細(xì)化設(shè)計(jì)和臨界設(shè)計(jì),使得湍流問題愈發(fā)凸顯,甚至已經(jīng)成為設(shè)計(jì)瓶頸。轉(zhuǎn)捩與湍流對(duì)飛行器設(shè)計(jì)的影響是多方面的,例如:影響熱防護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì),影響有效載荷的設(shè)計(jì)，影響飛行器氣動(dòng)布局的設(shè)計(jì)。湍流對(duì)航空航天的開展航空空氣動(dòng)力學(xué)1、航空空氣動(dòng)力學(xué)的概述2、CFD方法的開展與挑戰(zhàn)3、航空空氣動(dòng)力學(xué)的現(xiàn)狀與趨勢(shì)4、航空空氣動(dòng)力學(xué)的開展航空空氣動(dòng)力學(xué)先說(shuō)這個(gè)空氣，這空氣的話，大家都是很熟悉的了，因?yàn)橐獩]有空氣的話，咱們這個(gè)地球動(dòng)物植物還有很多東西都不可能生存。但這空氣動(dòng)力學(xué)作為一門科學(xué)來(lái)講，很多人對(duì)它就了解的比較少了，有的大學(xué)老師就叫做空氣動(dòng)力學(xué)空洞空洞，空空洞洞不好懂?？墒沁@個(gè)空氣，它是無(wú)所不在，它和我們生活息息相關(guān)，空氣動(dòng)力學(xué)的話，作為龐大的自然科學(xué)體系中的一個(gè)分支，它的誕生和開展孕育了、催生了、促進(jìn)了航空航天飛行器的開展。事實(shí)上，這個(gè)上世紀(jì)我國(guó)航空航天開展大大促進(jìn)了空氣動(dòng)力學(xué)的研究工作。最簡(jiǎn)單的方法就是把空氣動(dòng)力學(xué)的定義定義清楚?？諝鈩?dòng)力學(xué)，首先它屬于力學(xué)的范圍，它是流體力學(xué)的一個(gè)分支，它研究什么呢？1、傳統(tǒng)的飛行器氣動(dòng)布局設(shè)計(jì)主要依賴?yán)碚撗芯抗浪?、設(shè)計(jì)師的經(jīng)驗(yàn)以及大量的風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果，風(fēng)洞試驗(yàn)是主要設(shè)計(jì)工具。計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛開展推動(dòng)了航空空氣動(dòng)力學(xué)的革命。目前正在大力開展的計(jì)算流體力學(xué)將以突破對(duì)黏流流場(chǎng)物理現(xiàn)象的模擬能力為重點(diǎn)，尤其是精確預(yù)測(cè)流動(dòng)別離點(diǎn)和轉(zhuǎn)捩過程以及湍流流動(dòng)。航空空氣動(dòng)力學(xué)概述2、空氣動(dòng)力學(xué)研究的重大突破往往導(dǎo)致新概念飛行器的誕生，空氣動(dòng)力學(xué)是飛行器研制創(chuàng)新的源泉之一。在過去的五十年里，航天飛行器的研制還是取得了驕人的成績(jī)，為提高我國(guó)綜合國(guó)力，提高國(guó)防現(xiàn)代化建設(shè)做出了巨大的奉獻(xiàn)，無(wú)論是在運(yùn)載火箭、載人航天以及戰(zhàn)略戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈的研制中，空氣動(dòng)力學(xué)都發(fā)揮了重要的作用。但它的作用又往往是無(wú)形的或是隱形的，你在任何一個(gè)航天飛行器上看不到空氣動(dòng)力學(xué)的“硬產(chǎn)品〞。這個(gè)對(duì)我們的影響還是比較大的。美國(guó)在空氣動(dòng)力學(xué)研究與開展領(lǐng)域一直處于世界領(lǐng)先地位，在探索新概念飛行器、航空新技術(shù)、新研究和試驗(yàn)方法上也具有明顯優(yōu)勢(shì)。

隨著CFD技術(shù)的迅猛開展及其在軍、民飛行器氣動(dòng)力設(shè)計(jì)中的廣泛應(yīng)用，預(yù)測(cè)給定外形繞流的無(wú)粘CFD流場(chǎng)技術(shù)已非常成熟并成功應(yīng)用于先進(jìn)戰(zhàn)斗機(jī)的全機(jī)模擬中。

CFD算法在1970～1985年期間開展迅速，之后開展相對(duì)平緩，特別是工程應(yīng)用進(jìn)展比較緩慢，僅僅是在提高計(jì)算解的速度上有了一定改進(jìn)。改善CFD算法不僅要求提高計(jì)算速度還需要增加計(jì)算精度，從CFD開展歷史看，改善計(jì)算精度往往是以成倍增加計(jì)算時(shí)間為代價(jià)的。因此，必須均衡開展，提高計(jì)算精度而不增加時(shí)間是未來(lái)CFD算法的挑戰(zhàn)。

CFD開展的最終目的是不用進(jìn)行昂貴的地面試驗(yàn)和飛行試驗(yàn)就能驗(yàn)證新的技術(shù)或新的飛機(jī)概念，能夠成為設(shè)計(jì)師在經(jīng)濟(jì)可承受性范圍內(nèi)精確預(yù)測(cè)氣動(dòng)力、力矩和載荷的可靠工具。到達(dá)這一能力的主要障礙是對(duì)黏流流場(chǎng)物理現(xiàn)象的模擬能力，尤其是精確預(yù)測(cè)流動(dòng)別離點(diǎn)和轉(zhuǎn)捩過程以及湍流流動(dòng)。CFD方法的開展與挑戰(zhàn)航空空氣動(dòng)力學(xué)未來(lái)的技術(shù)先進(jìn)性將隨著我們對(duì)整個(gè)速度范圍內(nèi)的三維復(fù)雜非定常黏性流動(dòng)的機(jī)理的進(jìn)一步了解、模擬、控制能力的增加而產(chǎn)生新的飛躍。先進(jìn)主動(dòng)流體控制技術(shù)已成為空氣動(dòng)力學(xué)開展的前沿技術(shù)，它的開展和應(yīng)用將給未來(lái)飛機(jī)設(shè)計(jì)帶來(lái)重大變革，有助于開發(fā)出具有創(chuàng)新性概念的飛行器。航空空氣動(dòng)力學(xué)的現(xiàn)狀與趨勢(shì)航空空氣動(dòng)力學(xué)是流體力學(xué)的一個(gè)分支，對(duì)航空航天的開展有著重要的作用。航空空氣動(dòng)力學(xué)開展的目的是不斷地開發(fā)新的飛機(jī)設(shè)計(jì)概念，成功地實(shí)現(xiàn)先進(jìn)飛機(jī)的設(shè)計(jì)，研究使設(shè)計(jì)師在經(jīng)濟(jì)可承受性范圍內(nèi)精確預(yù)測(cè)氣動(dòng)力、力矩和載荷的可靠工具。目前正在大力開展的計(jì)算流體力學(xué)將以突破對(duì)黏流流場(chǎng)物理現(xiàn)象的模擬能力為重點(diǎn)，尤其是精