空气动力学对航空领域的现代发展研究

空气动力学对航空领域的现代发展研究

摘要本文从空气动力学的基本概念出发，对航空领域例如飞行器等在空中飞行时的原理为基础，介绍了关于空气动力学基本原理，并对其作用于航天航空领域的机理进行简要分析。通过航天航空领域的现状分析以及其所面对的困难，对于其未来的发展进行展望。旨在帮助学生在物理层面对于空气动力学进行初步的了解与探索。

关键词空气动力学；流场；雷诺数；黏度；气体状态方程

1 空气动力学概述

空气动力学的出现其实在早期就已经引发了人类的好奇。关于鸟类虫类等动物和昆虫是如何在天空中飞翔的种种猜测，奠定了空气动力学的基础。学者们从出现了力学这门学科开始，便开始关注于分析鸟与昆虫在飞行时的自身的受力情况。直到出现了空气动力学学科开始，它就被认为是力学中的一部分。而现今所说的空气动力学研究的主要目的则在于，对航天航空领域的探索，空气动力学的主要就是在研究飞行器或者航天航空领域其他的器件在飞行过程中由于大气环境带来的相互作用下的受力情况及其气体流动情况和随之发生的物理化学变化。空气动力学的出现无疑为航天航空事业带来了新的发展机遇。从物理学家惠更斯发现了并估算了空气阻力开始，到牛顿演绎出了力与空气密度及其个体速度之间的关系。至今，空气动力学的主要研究领域还是处于航天航空领域例如：飞机与火箭等[1]。

2 航天航空领域现状分析

随着科学技术的发展，我国航天航空领域的发展较从前而言取得了巨大的进步。而在其中对于空气动力学的研究在我国航天航空领域发挥了巨大的作用。随着越来越多的卫星被送去探索宇宙的奥秘，在突破大气层时火箭所受到的巨大的气流，气压作用于表面，在民营客机，货机进行运输的过程中，在流场中的受力情况及其规律分析，都离不开空气动力学的不断发展与研究。而航空航天领域在当今社会中的发展依靠于自身技术的发展与进步。在空气动力学当中，依靠的是大量的复杂计算，随着科技的发展，电子计算机的出现为这些复杂而计算量巨大的微分方程的求解带来了新的契机。空气动力学实验所得到的数据在计算机的处理下最大程度减小了误差的可能，这无疑对于航空航天事业的发展带来了希望[2]。

3 空气动力学技术对于航空领域技术原理

在研究空气动力学时，理论与实践都是必不可少的重要环节。基于理论基础研究的条件下，其中基础动力学理论有，牛顿第二定律就是运动的物体的加速度以及其自身受到的力的关系；以及能量守恒定律包括机械能，动能的转化等；当然在飞行过程中受到的气流作用还会产生热能的转化，涉及热力学原理；在物体

处于介质环境当中时，介质对物体存在的影响遵循气体状态方程，同时还具有黏度，导热性变化等方面的共同作用产生影响。

在这里需要考虑到几个概念：①关于流场：流场是指一个场域，在这个场域中物体的速度，压强在气流的作用下会产生一定的变化。一般在飞行过程中，流场的产生是由于飞行物体本身的运动而导致的。②雷诺数：它是一个常数，用于表征流体介质的惯性力和其黏度值之比。它较小的状况下称之为层流，流体介质较为稳定，反之则意味着流体介质不稳定，称之为紊流。

能够促使气体进行流动的因素十分复杂，并非单一影响因素，例如温度差异造成的压力差异，地球自转，以及物体在介质中的运动等等。对于空气动力学的研究是基于气体流动机理的探索，再根据基础理论研究中得出的基本结论以及规律，依靠大量的实验以及理论分析，模拟出的气体流动状态，大量的模式实验得出基本状态方程等。通过限定各种因素以及条件，进一步对方程进行求解并得到大量的数据结果进行分析[3]。

4 空气动力学对于航空领域的困境

空气动力学对于航天航空领域的一大困难就在于其大量繁杂的计算，以及求解方程时条件限定存在的问题。相比较现实环境复杂的自然因素，实验室的环境仍旧达不到准确的复制。相比较与第二个问题，大量繁杂的计算在电子计算机的出现后给空气动力学的数据精确度带来了极大的改善。另外，空气动力学中对于如何使得航天航空领域例如飞机机身在飞行时减阻问题的探索仍在继续。在飞机中，尤其运用于军事领域，飞机所要求达到的飞行速度越来越高，例如已经研发成功的超音速飞机。机身承受的压力以及摩擦力对机身本身的材料要求也不断地在提高。材料的选择上不仅在高硬度高强度，对于气体黏度的影响，由于摩擦受力产生的热能，故而对于熔点的要求，对于其热敏感度的要求也不断地在提高。

5 空气动力学对于航空领域的发展前景

空气动力学在航天航空领域的探索与发展是促使航天航空事业发展的一大动力。从空气动力学的发展来看，工业空气动力学，低速空气动力学，高速空气动力学，直到现在，超声速空气动力学的出现。航天航空事业中，飞行器不断的更新换代，人类对于生活出行舒适度的追求，军事中对于其军事能力的提高都不断地推进着空气动力学的研究进展。以民用飞机为例，不仅仅要求机身流线型的不断改进，以期减小在飞行过程中受到的阻力以及乘机时遇到气流颠簸的程度。并且另一方面对于机身材料的要求也越来越严苛。在21世纪的今天，超声速战斗机，喷气式飞机的出现将航天航空领域又迎来了又一个浪潮。军事中对于战斗机作战速度以及其灵活性上的要求从未停止。而民用飞机中对于飞行成本的降低一直也是大眾关注的话题。在空气动力学的研究之下，取得更大的进步。

6 结束语

飞行器在空气介质中的飞行离不开空气动力学奠定的基础。对于航空领域而

言，气流这样一个介质承载该领域的核心力量。在牛顿定律，能量守恒定律，热力学原理以及能量转化原理的基础之上，结合大量实验模拟状态下得出的的方程，拟合大量的数据进行分析等一系列的操作后。才能对于飞行器本身受到的相互作用力以及气流对其造成的影响，进而对机身的结构，材料进行合理的选择。尤其在电子计算机出现后的今天，带来了针对大量冗长的计算涉及的计算数据结果的精确程度的提高。在大众对于航空航天领域发展的诉求之下，对空气动力学的探索也仍旧不断地在加深。

参考文献

[1] 田云，阎超.未来航空空气动力学的发展（上）[J].航空科学技术，2006，（06）：17-19.

[2] 李成智.飞机百年发展与空气动力学[J].力学与实践，2003，（06）：1-13.

[3] 周恒，张涵信.空气动力学的新问题[J].中国科学：物理学、力学、天文学，2015，45（10）：109-113.