空气动力学

空气动力学（英语：Aerodynamics），简称气动力学，流体力学的一个分支，是研究空气和其他气体的运动以及它们与物体相对运动时相互作用的科学。它是在流体力学的基础上，随着航空工业和喷气推进技术的发展而成长起来的一个学科，是航空航天技术最重要的理论基础之一。

空气动力学作为学术研究内容，属于流体力学的一个分支。但作为在航天航空领域的应用，空气动力学的地位甚至超过流体力学本身。空气动力学作为飞行器设计的先行官，是航空航天领域的最重要的专业之一。按学科方向分类，空气动力学、气体动力学、粘性流体力学、计算流体力学等都是流体力学的内容，它们之间有覆盖，但区分较严格：

• 空气动力学是研究空气运动规律及其与物体发生作用的科学，既包含不可压缩（低速）空气动力学，也包含可压缩（高速）空气动力学。
• 气体动力学是研究可压缩气体运动规律的。这里的气体可以是空气，也可以是其他气体，但必须是高速即可压缩的。
• 粘性流体力学研究考虑粘性作用的流体力学问题，主要凸现粘性作用，如附面层、 粘性导致的涡运动、流动稳定性等。
• 计算流体力学则主要进行计算方法的研究。它是针对不可压缩、可压缩、粘流和无粘流的偏微分方程的计算。

空气动力学从流体力学发展而来，大致经历了三个时期。

对空气动力学的研究，可以追溯到人类早期对鸟或弹丸在飞行时的受力和力的作用方式的种种猜测。17世纪后期，荷兰物理学家惠更斯（Huygens）首先估算出物体在空气中运动的阻力。当时人类尚未掌握空气动力学的知识。1726年，牛顿（Newton）根据质点撞击平板时的动量损失，提出计算气动升力的第一个理论，这一工作可以看作是空气动力学经典理论的开始，但是过低地估计了升力。19世纪，空气-气体动力学在流体动力学、热力学和声学发展的基础上形成并发展。空气-气体动力学的基本方程组出现在1850年前后。英国科学家兰金（Rankine）在1870年、法国科学家于戈尼奥（Hugoniot）在1887年分别独立地建立了气流通过激波所应满足的关系式，为超声速流场的数学处理提供了正确的边界条件。随着航空事业的迅速发展，空气动力学从流体力学中发展出来并形成力学的一个新的分支。航空要解决的首要问题是如何获得飞行器所需要的升力、减小飞行器的阻力和提高它的飞行速度，这需要从理论和实践上研究飞行器与空气相对运动时作用力的产生及其规律。1894年，英国的兰彻斯特（Lanchester）首先提出无限翼展机翼或翼型产生升力的环量理论和有限翼展机翼产生升力的涡旋理论等。但兰彻斯特的想法在当时并未得到广泛重视。20世纪，空气动力学完整的科学体系创建，并取得了蓬勃发展。19世纪后半叶的工业革命，蒸气机的出现和工业叶轮机的产生，使人们萌发建造飞机的想法。约在1901～1910年间，库塔（Kutta）和茹科夫斯基（Joukowski）分别提出了翼型的环量和升力理论，并给出升力理论的数学形式，建立了二维机翼理论。1904年，德国的普朗特（Plandtl）发表了著名的低速流动的边界层理论（又名附面层理论）。该理论指出在不同的流动区域中控制方程可有不同的简化形式，解决了当时无黏空气动力学的实验结果之间的矛盾。1918~1919年，普朗特提出了大展弦比机翼的升力线理论。对于薄翼小扰动问题，阿克莱特（Ackeret）在1925年提出了二维线化机翼理论，后又相应地出现了三维机翼的线化理论。这些超声速流的线化理论解决了流动中小扰动的影响问题。在实验方面，1871年英国韦纳姆（ Wenham）建造了第一座开路式风洞，美国莱特（Wright）兄弟1900年建造了一座截面为406×406毫米、长1.8米的风洞，用天平测出机翼升力、全机阻力和压力中心数据，在这座风洞的空气动力实验的基础上，实现了人类第一次动力飞行。1928年在英国的国家物理实验室，建造了直径为78毫米的超声速风洞。

第二次世界大战前后，由于军用航空的需要和航天技术的兴起，高速空气动力学得到迅速的发展。在这一阶段中科学家建立了亚声速、跨声速、超声速和高超声速无黏流和高速边界层的系统理论，研究了各类飞行器在不同速度范围的气动特性，将空气动力学的研究内容从力扩展到热、光和电磁等效应。这些研究成果对突破高速飞行的声障和热障起了决定性的作用。1939年，格特尔特（Göthert）提出了亚声速三维机翼的相似法则，1944年冯·卡门（Von Kármán）和钱学森采用速度图法，研究和导得了比普朗特-葛劳渥（Glauert）法则更为精确的亚声速相似律公式，1946年钱学森首先提出高超音速相似律。1953年郭永怀研究激波边界层的相互作用，成功地发展了一种有效的奇异摄动法。1947年，美国国家航空咨询委员会首先建造试验段尺寸为304毫米的开槽壁高速风洞，消除壅塞，建立近声速流，为发展跨声速风洞奠定了基础。在飞行速度或流动速度接近声速时，飞行器的气动性能发生急剧变化，阻力突增，升力骤降。飞行器的操纵性和稳定性极度恶化，这就是航空史上著名的声障。大推力发动机的出现冲过了声障，但并没有很好地解决复杂的跨声速流动问题。20世纪50年代至60年代初，确立了高超声速无粘流理论和气动力的工程计算方法，高超声速流动数值计算也发展迅速。通过研究这些现象和规律，发展了高温气体动力学、高速边界层理论和非平衡流动理论等。20世纪60年代后，由于跨声速巡航飞行、机动飞行，以及发展高效率喷气发动机的要求，跨声速流动的研究更加受到重视，各类超高速实验设备日臻成熟。

1946年第一台计算机出现以后，计算机的飞速发展，同样对空气动力学产生巨大影响。从20世纪60年代起，研究流体-空气动力学的数值计算方法蓬勃发展起来，形成了计算流体-空气动力学这门崭新的科学，并推进到一个新阶段。计算机的发展改变了理论空气动力学的面貌，计算空气动力学的出现，使飞行器的空气动力设计产生重大的变革。计算机作为气体流动的数学模拟设备，代替部分风洞的作用，并与风洞实验结合起来。风洞测控技术、仪器、测量项目、种类、精度要求、计算机自动控制和记录以及结果处理方面，都取得很大的发展。模拟雷诺数的实验也引起人们的重视。现代适用于各种模拟条件、目的、用途和各种测量方式的风洞已有数十种之多，风洞实验的内容极为广泛。

飞机缩比模型风洞试验

由于在高温条件下会引起飞行器表面材料的烧蚀和质量的引射，需要研究高温气体的多相流。空气动力学的发展出现了与多种学科相结合的特点。20世纪60年代后期，航天飞机综合运用航空和航天技术，在飞行器的设计中出现飞机与发动机一体化的需要。空气动力学还与控制技术结合起来。空气动力学发展的另一个重要方面是实验研究，包括风洞等各种实验设备的发展和实验理论、实验方法、测试技术的发展。现代适用于各种模拟条件、目的、用途和各种测量方式的风洞已有数十种之多，风洞实验的内容极为广泛。20世纪70年代以来，激光技术、电子技术和电子计算机的迅速发展，极大地提高了空气动力学的实验水平和计算水平，促进了对高度非线性问题和复杂结构（如湍流）的流动的研究。以分离和旋涡流动为主体的大攻角空气动力学、湍流、可压缩自由剪切层的转捩流动、多相流以及数值模拟中各种计算技术和风洞实验中的测试技术，成为空气动力学发展中十分活跃的研究领域，在航天器发展中考虑有物理、化学变化的气体动力学有着很大的进展。此外，工业空气动力学、环境空气动力学等分支学科出现。

空气动力学通过理论和实验的途径并在理论和实验结合的过程中发展起来，它有三种研究方法：实验研究、理论分析和数值模拟。通过这些方法以寻求最好的飞行器气动布局形式、确定整个飞行范围作用在飞行器上的力和力矩，以得到其最终性能，并保证飞行器的操纵稳定性。

实验研究在空气动力学中有着广泛的应用，其主要手段是依靠风洞、水洞、激波管以及测试设备进行地面模拟实验或飞行实验。风洞因气流易于控制和便于测量等原因，已成为空气动力学主要的实验设备。风洞与计算机的结合可大大增加风洞的实验能力。地面模拟试验并不能完全复现真实的飞行条件，因此除地面模拟试验外，还要利用火箭、试验飞机和火箭橇等进行模型自由飞试验和进行真实飞行器的飞行试验。其优点在于，它能在所研究的问题完全相同或大致相同的条件下进行模拟与观测，因此所得到的结果较为真实、可靠。但是，实验研究往往也受到一定的限制，如受到模型尺寸的限制和实验设备边界的影响等。此外，实验测量本身也会影响所得到结果的精度，而且实验往往要耗费大量的人力和物力。因此这种方法在实际应用中常常会遇到困难。

理论分析是在实验的基础上建立正确的流动模型。理论分析的特点在于它的科学抽象，能够用数学方法求得理论结果以及揭示问题的内在规律。然而，由于数学发展水平的限制和理论模型抽象的简化，理论分析方法常常无法满足研究复杂实际问题的需要。理论分析方法一般包括以下步骤：（1）通过实验或观察，对问题进行分析研究，找出其影响的主要因素，忽略次要因素，从而抽象出近似的、合理的理论模型；（2）运用基本定律、原理和数学分析，建立描述问题的数学方程，以及相应的边界条件和初始条件；（3）利用各种数学方法准确地或近似地求解方程；（4）对结果进行分析、判断，并通过必要的实验检验与修正。

数值模拟广泛采用有限差分、有限元素、有限基本解等离散点的计算方法。自20世纪70年代以来，随着大型高速计算机的出现，以及一系列有效的近似计算方法（如有限差分法、有限元法和有限体积法等）的发展，计算流体动力学（computational fluid dynamics，CFD）作为流体力学的一个分支取得了蓬勃发展，数值模拟方法在空气动力学研究方法中的作用和地位不断提高。与实验方法相比，数值模拟方法研究所需费用比较少。对有些无法进行实验、更不能作出理论分析的问题，采用数值模拟方法进行研究可以得到解决。当然数值模拟方法也有其局限性，有时数值模拟结果精度较差，这也是近年来CFD研究的重点。

伯努利方程即著名的理想流体定常流动的能量方程，自建立以来在流体力学领域中贡献卓著。1738年瑞士数学世家丹尼尔·伯努利将质点运动的动能定理运用于同一微元流管的两截面上，导出了表征一元流机械能守恒方程，即著名的理想流体定常流动的能量方程（后称为伯努利方程）。同时在建立这个方程时，所用的局部跟随流体质点的分析思想，1755年被瑞士数学家与流体力学家欧拉概括为描述流体运动的流场法，是建立欧拉方程组和N–S方程组的基本依据，也为后来湍流理论、边界层理论、气动噪声等理论的建立奠定了基础，在流体力学中得到普遍认可和广泛应用。伯努利方程为人们研究流体运动起到了里程碑的作用，它是流体力学的核心方程，起到灵魂的作用。伯努利原理指出：流体的压力会随着速度的增加而减小，反之亦然。对于理想不可压缩流体的定常流动，在质量力为重力作用下，伯努利方程表明：沿同一条流线单位重量流体质点所具有的总机械能守恒（单位重量流体质点的位置势能、压强势能和动能之和不变，或总水头为常数），即：

其中，z 为流体质点的位置，p 为流体质点的压强，V 为流体质点的速度，γ 为流体容重，g 为重力加速度，H=C 为常数（单位重量流体质点所具有的总机械能，总水头），如下图所示。在不计质量力的条件下（空气的质量密度小，可以忽略重力的影响），此时沿同一条流线单位体积流体质点所具有的压强势能和动能之和不变，总压不变）。

其中，p₀ 为流体质点的总压；p 为流体质点的静压，后一项为流体质点的动压。

理想流体的伯努利方程几何表示

边界层（又叫附面层）是流体力学中经常要涉及的一个概念。对于黏性较小的流体绕流物体，黏性的影响仅限于贴近物面的薄层中，在这薄层之外，黏性的影响可以忽略。普朗特把物面上受到黏性影响的这一薄层称为附面层（或边界层），并在大雷诺数下附面层非常薄的前提下，对黏性流体运动方程做了简化，得到了被人们称为普朗特方程的附面层微分方程。如果以V₀表示外部无黏流速度，则通常把各个截面上速度达到V_x=0.99V₀或V_x= 0.995V₀值的所有点的连线定义为附面层外边界，而从外边界到物面的垂直距离定义为附面层厚度δ。普朗特的边界层理论研究了低速近壁区薄层内受黏性影响的流动问题，从物理上阐述了绕流物体阻力产生和热交换等机理问题。边界层理论的提出，使得许多以前难以求解的问题变得可以求解，只需要在很小的一个区域考虑粘性的影响即可求解纳维-斯托克斯方程。而在其他区域，只需要求解势流或者求解描述无粘性流体运动的欧拉方程。众所周知，势流和欧拉方程的求解难度远远低于纳维-斯托克斯方程。

通常所说的空气动力学研究内容是飞机、导弹等飞行器在各种飞行条件下流场中气体的速度、温度、压力和密度等参量的变化规律，飞行器所受的升力和阻力等空气动力及其变化规律，气体介质或气体与飞行器之间所发生的物理化学变化以及传热传质规律等，故该学科分类可以有几种方法：

• 根据流体运动的速度范围或飞行器的飞行速度，空气动力学可划分为：低速空气动力学和高速空气动力学。前者的流动可视为不可压缩流动，后者称为可压缩流动。根据其流动马赫数大小，又可将其分为马赫数恒小于1.0的亚声速流动、马赫数恒大于1.0的超声速流动、马赫数接近于1.0的跨声速流动以及马赫数大于5.0的高超声速流动。
• 根据流动是否必须考虑气体介质的黏性，空气动力学又可分为无黏气体的理想空气动力学（或理想气体动力学）和黏性空气动力学。
• 按照流动是否与时间有关，可将其划分为定常空气动力学（与时间无关）和非定常空气动力学。
• 空气动力学中还有一些边缘性的分支学科，例如稀薄气体动力学、高温气体动力学等。流动的特征尺度和气体分子的平均自由程接近时，或流动的气体密度低到连续介质假设不再适用时，此时必须用分子运动论的观点来研究气体的运动规律，称其为稀薄气体动力学。当马赫数高到一定程度，研究流动气体在高温下的物理、化学现象以及伴随的能量传递和转换规律的新学科的分支，称其为高温气体动力学。
• 随着计算机和计算技术的飞速发展，计算空气动力学已成为一个新的独立分支学科。空气动力学还和其他学科互相渗透，形成许多学科交叉的边缘学科，如气动弹性力学、磁流体力学等。

基于上述分类，为航空航天技术服务的空气动力学主要包括飞行器空气动力学、非定常空气动力学、内流空气动力学和气动热力学等内容。

针对各类飞行器的特点，研究满足其性能要求的气动外形，研究气动特性随几何外形、飞行姿态、马赫数、雷诺数等基本因素的变化，并提供相应的计算方法。飞行器空气动力学不仅研究各个单独部件如机翼、尾翼、控制面、机身以及各类增升装置等的气动外形和气动特性，还研究整个飞行器的气动布局和气动特性，并进一步研究飞行器的性能、操纵性和稳定性。

飞行器的空气绕流和气动特性取决于飞行器运动的特点。在稳定运动中，它们不随时间变化，可以用定常空气动力学来解决问题。但在研究飞行的动稳定性、大气湍流的影响、颤振、抖振、地面风载、脉动压力、噪声时，必须考虑气流的不均匀性(例如阵风)、流场的不稳定性（例如分离流动）和飞行器摆动或旋转造成的绕流的非定常性带来的影响。根据非定常流动的不同形式，如瞬态型、振荡型和随机型等，已出现不同的理论和实验方法。

研究发动机、风洞、枪炮等受管道限制的内部流动。对于涡轮喷气发动机，内流空气动力学研究进气道和喷管流动、压气机和涡轮的叶栅绕流以及在燃烧室内的燃烧和热交换过程。其他如火箭发动机、冲压发动机、涡轮风扇发动机、升力发动机等，都有各自特殊的气动问题。

根据飞行器的运动特点分析气动加热的规律和寻找相应的防热方案。如陡峭再入的弹头，加热的速率很高，一般采用烧蚀防热。高超声速飞机飞行速度稍低，加热速率较小，但加热的时间很长，一般采用冷却、隔热等防热技术。

空气动力学的应用领域十分广泛，几乎包括了航空航天和非航空航天中的所有可能应用领域，例如：①运动物体的空气动力学，包括飞机、导弹、子弹、星体、船舶、汽车、自行车、人体、鸟和昆虫等；②机械和热机中的空气动力学包括螺桨风扇，活塞式发动机与燃烧，涡轮，冲压，火箭发动机；③工业上散热器，热交换器，排气与烟囱系统的空气动力学；④自然空气动力学（nature aerodynamics），包括大气流动和自然过程引起的现象，如自然界中因地表面和海洋不同温度引起的对流；⑤各类爆炸空气动力学问题，包括燃料，矿井瓦斯爆炸和火山爆发；⑥等离子体空气动力学问题，如电弧中的等离子射流（包括等离子体的冶炼技术），电推进火箭等。同时，在应用空气动力学项目中，通过试验、计算机模拟、飞行测试和数字工程流程等手段，空气动力学在产品、分析和技术方面取得了多项重要进展。

空气动力学是航空航天最重要的科学技术基础之一，被誉为发展航空航天飞行器的“先行军”。在空气动力学的支持下，航空航天事业创造了弹道导弹、人造卫星、载人航天、月球探测、火星探测等里程碑式的成就。许多重要的物理现象，例如，飞行器的升力和阻力及其形成机理，都可通过空气动力学加以阐明、分析和计算。历史上，空气动力学在推动社会发展和人类文明进步方面做出了重大贡献，空气动力学理论的突破为各类航空飞行器的发展奠定基础。自20世纪初出现以来，能载人的实用飞机发展极其迅速；到50年代末期，有了人造地球卫星；60年代末期已经实现了往返月球的宇宙飞行。人造卫星和宇宙飞船的主要活动区域远远超出大气层，但这些太空飞行器的起飞和返航仍要穿越大气层。所以，所有这些飞行器的研制和发展，都需要借助空气动力学的研究和应用。正如中国科学院院士庄逢甘所说，“有空气的地方就有空气动力学”。

中国歼-7

空气动力研究试验手段的应用，奠定了航空航天空气动力学发展的基础，并在之后多种型号航空、航天以及导弹武器的气动试验和研究设计中发挥了重要的作用，使相关领域研制高速发展。在各种飞机中，战斗机具有最高的空气动力学要求，其技术水平也最能反映航空科学技术的发展情况。第二次世界大战末期，以空气动力学为代表的航空科学技术取得了革命性的进展，例如，可压缩流空气动力学（后掠翼、进气道等）以及涡轮喷气发动机等。这些革命性的技术进步导致了第一代喷气式战斗机的诞生，这一代战斗机在气动设计方面应用了后掠翼等可压缩流空气动力学的研究成果。随着空气动力学的发展和进步，各种技术的进展及应用使得第二代喷气式战斗机的作战效能明显提高，最具代表意义的包括前苏联的米格-21、米格-23，美国的F-104、F-4，中国的歼-7、歼-8等。第三代战斗机，在气动设计方面普遍应用了当时旋涡空气动力学的研究成果，采用鸭翼或者边条提供涡升力，使飞机的机动性能得到有效提升，如前苏联/俄罗斯的米格-29、苏-27，美国的F-15、F-16、F-18，中国的歼-10，欧洲的幻影2000、台风等。第四代喷气式战斗机，在气动方面采用了气动/隐身综合设计，在亚声速减阻和超声速减阻之间进行了有效的协调和折衷，同时改善了大迎角飞行的稳定性和可控制性。以美国的F-22为代表的第四代战斗机，基本特征可概括为4S，即隐身（Stealth）、超声速巡航（Supersonic）、超视距攻击（Superior-sensor）和超机动（Super-agility）。

苏-27家族的终极型号苏-35

空气动力学的应用，也为载人航天工程的实现奠定基础。如中国航天科技集团航天空气动力技术研究院成立后，在气动技术的支撑下开拓了中短程无人机、中大型飞行器以及太阳能高空无人飞行器等特种飞行器研究领域，增强了无人机配套产业化能力，形成了空气动力、特种飞行器、航天技术应用产业协调发展的良好局面。

2004年10月15日，航天科技集团航天空气动力技术研究院宣布成立

空气动力学在工业领域中同样得以应用，工业科研生产中除空气外，还有很多生产过程中还会遇到很多其它气体，甚至工业生产中很多原料或中间产物也呈气体状态。现代工业有许多与气流相关的场合，这些方面也要应用流体动力学的原理对问题做深入研究，因而逐渐形成了一门工业空气动力学。它处理的问题范围很广：例如，地面高速交通关键技术中的减阻、稳定和降噪问题；涡轮机、轴流式或离心式压气机等叶片机中的气动力问题，鼓风机和高炉中的气流问题，大建筑物中的暖气通风问题，高大建筑物的风压问题，还有自然界的气象问题也有很大一部分是气流——风的问题。其中，空气动力学在风能工程中有着重要的应用，决定了风工程的经济性、稳定性和安全性，是风能技术研究的重点和热点。风能的开发利用是一门综合性强且多学科高度交叉融合的工程技术，涉及空气动力学等多学科。真实条件下，风力机运行在含大气/地形湍流和机组尾流的复杂气流环境中，面临强非定常、多尺度耦合、流动分离等空气动力学领域复杂问题。在风能工程中，大气空气动力学（属于气象学）的主要任务是准确评估风资源，确保风能的合理开发利用；风电场空气动力学的主要任务是合理布置风电机组，使得风电场经济效益最大化和风资源利用最合理化。

空气动力学在体育（如球类运动）等方面也有应用。足球比赛中的香蕉球的原理是因为足球运动员给足球的一侧发力，使其高速旋转，导致足球两侧的流场不对称，产生了一个侧向力，造成了足球的飞行轨迹弯曲，形成类似香蕉的形状。同样对于乒乓球运动来说，选手发的侧旋球也有类似的效果，也是利用乒乓球的旋转使得两侧的流场不对称，产生了侧向力，而侧向力的方向与乒乓球的旋转方向有关，这也是乒乓球运动的一大乐趣。在高尔夫球运动中，表面凹凸不平的高尔夫球比光滑的高尔夫球飞的更远，阻力更小，这也与空气动力学有关，是由于高尔夫球的凹凸不平的表面，使得层流受到了扰动，使其由层流转捩为湍流，并使得分离点后移，将层流边界层转变为湍流边界层，降低了压差阻力，使得高尔夫球的阻力下降，飞得更远。

高尔夫球