Аэродинамика ( древнегреческий : ἀήρ aero (воздух) + древнегреческий : δυναμική (динамика)) — это изучение движения воздуха , особенно под воздействием твёрдого объекта, такого как крыло самолёта . [1] Она охватывает темы, охватываемые в области динамики жидкости и её подраздела газовой динамики , и является важной областью изучения в аэронавтике . Термин аэродинамика часто используется как синоним газовой динамики, разница в том, что «газовая динамика» применяется к изучению движения всех газов и не ограничивается воздухом. Формальное изучение аэродинамики началось в современном смысле в восемнадцатом веке, хотя наблюдения фундаментальных понятий, таких как аэродинамическое сопротивление, были зафиксированы гораздо раньше. Большинство ранних усилий в аэродинамике были направлены на достижение полета тяжелее воздуха , что впервые продемонстрировал Отто Лилиенталь в 1891 году. [2] С тех пор использование аэродинамики посредством математического анализа, эмпирических приближений, экспериментов в аэродинамической трубе и компьютерного моделирования сформировало рациональную основу для развития полета тяжелее воздуха и ряда других технологий. Недавние работы в области аэродинамики были сосредоточены на вопросах, связанных со сжимаемым потоком , турбулентностью и пограничными слоями , и стали все более вычислительными по своей природе.
Современная аэродинамика появилась лишь в семнадцатом веке, но аэродинамические силы использовались людьми на протяжении тысяч лет в парусных лодках и ветряных мельницах, [3] а изображения и истории о полетах встречаются на протяжении всей записанной истории, [4] например, в древнегреческой легенде об Икаре и Дедале . [5] Фундаментальные концепции континуума , сопротивления и градиентов давления появляются в трудах Аристотеля и Архимеда . [6]
В 1726 году сэр Исаак Ньютон стал первым человеком, разработавшим теорию сопротивления воздуха [7] , что сделало его одним из первых аэродинамиков. Голландско - швейцарский математик Даниил Бернулли последовал за ним в 1738 году с работой «Гидродинамика» , в которой он описал фундаментальную связь между давлением, плотностью и скоростью потока для несжимаемого потока, известную сегодня как принцип Бернулли , который обеспечивает один из методов расчета аэродинамической подъемной силы. [8] В 1757 году Леонард Эйлер опубликовал более общие уравнения Эйлера , которые можно было применять как к сжимаемым, так и к несжимаемым потокам. Уравнения Эйлера были расширены для включения эффектов вязкости в первой половине 1800-х годов, что привело к уравнениям Навье–Стокса . [9] [10] Уравнения Навье–Стокса являются наиболее общими определяющими уравнениями потока жидкости, но их трудно решить для потока вокруг всех, кроме самых простых форм.
В 1799 году сэр Джордж Кейли стал первым человеком, который определил четыре аэродинамические силы полета ( вес , подъемная сила , сопротивление и тяга ), а также взаимосвязи между ними [11] [12] и тем самым наметил путь к достижению полета тяжелее воздуха в следующем столетии. В 1871 году Фрэнсис Герберт Уэнам построил первую аэродинамическую трубу , позволившую точно измерить аэродинамические силы. Теории сопротивления были разработаны Жаном Лероном Д'Аламбером [13] , Густавом Кирхгофом [ 14] и лордом Рэлеем [15] . В 1889 году Шарль Ренар , французский инженер-авиаконструктор, стал первым человеком, который обоснованно предсказал мощность, необходимую для устойчивого полета. [16] Отто Лилиенталь , первый человек, добившийся большого успеха в полетах на планере, был также первым, кто предложил тонкие изогнутые аэродинамические профили , которые обеспечивали бы большую подъемную силу и малое сопротивление. Опираясь на эти разработки, а также на исследования, проведенные в их собственной аэродинамической трубе, братья Райт 17 декабря 1903 года подняли в воздух первый самолет с двигателем.
Во время первых полетов Фредерик В. Ланчестер , [17] Мартин Кутта и Николай Жуковский независимо друг от друга создали теории, связывающие циркуляцию потока жидкости с подъемной силой. Кутта и Жуковский продолжили разрабатывать двумерную теорию крыла. Развивая работу Ланчестера, Людвиг Прандтль считается автором разработки математики [18], лежащей в основе теорий тонкого профиля и подъемной линии, а также работы с пограничными слоями .
По мере увеличения скорости самолета конструкторы начали сталкиваться с проблемами, связанными со сжимаемостью воздуха на скоростях, близких к скорости звука. Различия в потоке воздуха в таких условиях приводят к проблемам в управлении самолетом, увеличению сопротивления из-за ударных волн и угрозе разрушения конструкции из-за аэроупругого флаттера . Отношение скорости потока к скорости звука было названо числом Маха в честь Эрнста Маха, который был одним из первых, кто исследовал свойства сверхзвукового потока. Маккорн Ранкин и Пьер Анри Гюгонио независимо друг от друга разработали теорию свойств потока до и после ударной волны , в то время как Якоб Аккерет руководил первоначальной работой по расчету подъемной силы и сопротивления сверхзвуковых аэродинамических профилей. [19] Теодор фон Карман и Хью Латимер Драйден ввели термин трансзвуковой для описания скоростей потока между критическим числом Маха и числом Маха 1, где сопротивление быстро увеличивается. Такое быстрое увеличение сопротивления привело к разногласиям между специалистами по аэродинамике и авиаторами по вопросу о возможности сверхзвукового полета, пока в 1947 году с помощью самолета Bell X-1 не был преодолен звуковой барьер .
К тому времени, как был преодолен звуковой барьер, понимание аэродинамиками дозвукового и низкого сверхзвукового потока стало более зрелым. Холодная война подтолкнула к проектированию постоянно развивающейся линейки высокопроизводительных самолетов. Вычислительная гидродинамика началась как попытка решить проблемы свойств потока вокруг сложных объектов и быстро выросла до точки, когда весь самолет может быть спроектирован с использованием компьютерного программного обеспечения, с испытаниями в аэродинамической трубе, за которыми следовали летные испытания для подтверждения компьютерных прогнозов. Понимание сверхзвуковой и гиперзвуковой аэродинамики стало более зрелым с 1960-х годов, и цели аэродинамиков сместились от поведения потока жидкости к проектированию транспортного средства таким образом, чтобы оно предсказуемо взаимодействовало с потоком жидкости. Проектирование самолетов для сверхзвуковых и гиперзвуковых условий, а также стремление улучшить аэродинамическую эффективность современных самолетов и двигательных установок продолжают мотивировать новые исследования в области аэродинамики, в то время как продолжается работа над важными проблемами базовой аэродинамической теории, связанными с турбулентностью потока, а также существованием и единственностью аналитических решений уравнений Навье–Стокса.
Понимание движения воздуха вокруг объекта (часто называемого полем потока) позволяет вычислять силы и моменты , действующие на объект. Во многих задачах аэродинамики интересующими силами являются фундаментальные силы полета: подъемная сила , сопротивление , тяга и вес . Из них подъемная сила и сопротивление являются аэродинамическими силами, т. е. силами, обусловленными потоком воздуха над твердым телом. Расчет этих величин часто основывается на предположении, что поле потока ведет себя как сплошная среда. Поля потока сплошной среды характеризуются такими свойствами, как скорость потока , давление , плотность и температура , которые могут быть функциями положения и времени. Эти свойства могут быть прямо или косвенно измерены в экспериментах по аэродинамике или рассчитаны, исходя из уравнений сохранения массы, импульса и энергии в потоках воздуха. Плотность, скорость потока и дополнительное свойство, вязкость , используются для классификации полей потока.
Скорость потока используется для классификации потоков в соответствии с режимом скорости. Дозвуковые потоки — это поля потока, в которых поле скорости воздуха всегда ниже локальной скорости звука. Трансзвуковые потоки включают как области дозвукового потока, так и области, в которых локальная скорость потока больше локальной скорости звука. Сверхзвуковые потоки определяются как потоки, в которых скорость потока больше скорости звука везде. Четвертая классификация, гиперзвуковой поток, относится к потокам, в которых скорость потока намного больше скорости звука. Аэродинамики расходятся во мнениях относительно точного определения гиперзвукового потока.
Сжимаемый поток учитывает изменение плотности внутри потока. Дозвуковые потоки часто идеализируются как несжимаемые, т.е. плотность предполагается постоянной. Трансзвуковые и сверхзвуковые потоки являются сжимаемыми, и расчеты, которые пренебрегают изменениями плотности в этих полях потока, дадут неточные результаты.
Вязкость связана с силами трения в потоке. В некоторых полях потока вязкие эффекты очень малы, и приближенные решения могут безопасно пренебречь вязкими эффектами. Эти приближения называются невязкими потоками. Потоки, для которых вязкость не пренебрегается, называются вязкими потоками. Наконец, аэродинамические задачи также могут быть классифицированы по среде потока. Внешняя аэродинамика — это изучение потока вокруг твердых объектов различной формы (например, вокруг крыла самолета), в то время как внутренняя аэродинамика — это изучение потока через каналы внутри твердых объектов (например, через реактивный двигатель).
В отличие от жидкостей и твердых тел, газы состоят из дискретных молекул , которые занимают лишь малую часть объема, заполненного газом. На молекулярном уровне поля течения состоят из столкновений множества отдельных молекул газа между собой и с твердыми поверхностями. Однако в большинстве приложений аэродинамики дискретная молекулярная природа газов игнорируется, и предполагается, что поле течения ведет себя как континуум . Это предположение позволяет определять свойства жидкости, такие как плотность и скорость потока, везде внутри потока.
Обоснованность предположения о континууме зависит от плотности газа и рассматриваемого приложения. Для того чтобы предположение о континууме было верным, средняя длина свободного пробега должна быть намного меньше масштаба длины рассматриваемого приложения. Например, многие приложения аэродинамики имеют дело с самолетами, летающими в атмосферных условиях, где средняя длина свободного пробега составляет порядка микрометров, а тело на порядки больше. В этих случаях масштаб длины самолета составляет от нескольких метров до нескольких десятков метров, что намного больше средней длины свободного пробега. Для таких приложений предположение о континууме является разумным. Предположение о континууме менее верно для потоков с чрезвычайно низкой плотностью, таких как те, с которыми сталкиваются транспортные средства на очень больших высотах (например, 300 000 футов/90 км) [6] или спутники на низкой околоземной орбите . В этих случаях статистическая механика является более точным методом решения проблемы, чем аэродинамика континуума. Число Кнудсена можно использовать для выбора между статистической механикой и непрерывной формулировкой аэродинамики.
Предположение о непрерывности жидкости позволяет решать проблемы аэродинамики с использованием законов сохранения динамики жидкости . Используются три принципа сохранения:
Вместе эти уравнения известны как уравнения Навье-Стокса , хотя некоторые авторы определяют этот термин, чтобы включать только уравнение(я) импульса. Уравнения Навье-Стокса не имеют известного аналитического решения и решаются в современной аэродинамике с использованием вычислительных методов . Поскольку вычислительные методы с использованием высокоскоростных компьютеров исторически не были доступны, а вычислительная стоимость решения этих сложных уравнений сейчас высока, упрощения уравнений Навье-Стокса использовались и продолжают использоваться. Уравнения Эйлера представляют собой набор подобных уравнений сохранения, которые пренебрегают вязкостью и могут использоваться в случаях, когда ожидается, что эффект вязкости будет небольшим. Дальнейшие упрощения приводят к уравнению Лапласа и теории потенциального потока . Кроме того, уравнение Бернулли является решением в одном измерении как уравнений сохранения импульса, так и уравнений сохранения энергии.
Закон идеального газа или другое подобное уравнение состояния часто используется в сочетании с этими уравнениями для формирования определенной системы, которая позволяет найти решение для неизвестных переменных. [20]
Аэродинамические проблемы классифицируются по среде потока или свойствам потока, включая скорость потока , сжимаемость и вязкость . Внешняя аэродинамика — это изучение потока вокруг твердых объектов различной формы. Оценка подъемной силы и сопротивления самолета или ударных волн , которые образуются перед носом ракеты, являются примерами внешней аэродинамики. Внутренняя аэродинамика — это изучение потока через проходы в твердых объектах. Например, внутренняя аэродинамика охватывает изучение потока воздуха через реактивный двигатель или через трубу кондиционера .
Аэродинамические проблемы также можно классифицировать в зависимости от того, ниже ли скорость потока , близка к ней или выше . Задача называется дозвуковой, если все скорости в задаче меньше скорости звука, трансзвуковой, если присутствуют скорости как ниже, так и выше скорости звука (обычно, когда характерная скорость приблизительно равна скорости звука), сверхзвуковой , когда характерная скорость потока больше скорости звука, и гиперзвуковой , когда скорость потока намного больше скорости звука. Аэродинамики расходятся во мнениях относительно точного определения гиперзвукового потока; грубое определение считает потоки с числами Маха выше 5 гиперзвуковыми. [6]
Влияние вязкости на поток диктует третью классификацию. Некоторые проблемы могут столкнуться только с очень небольшими вязкими эффектами, в этом случае вязкость можно считать пренебрежимо малой. Приближения к этим проблемам называются невязкими потоками . Потоки, для которых вязкостью нельзя пренебречь, называются вязкими потоками.
Несжимаемый поток — это поток, в котором плотность постоянна как во времени, так и в пространстве. Хотя все реальные жидкости сжимаемы, поток часто аппроксимируется как несжимаемый, если влияние изменений плотности вызывает лишь небольшие изменения в расчетных результатах. Это более вероятно, когда скорости потока значительно ниже скорости звука. Эффекты сжимаемости более значительны на скоростях, близких к скорости звука или превышающих ее. Число Маха используется для оценки того, можно ли предположить несжимаемость, в противном случае эффекты сжимаемости должны быть включены.
Дозвуковая (или низкоскоростная) аэродинамика описывает движение жидкости в потоках, которые намного ниже скорости звука во всем потоке. Существует несколько ветвей дозвукового потока, но возникает один особый случай, когда поток невязкий , несжимаемый и безвихревой . Этот случай называется потенциальным потоком и позволяет дифференциальным уравнениям , описывающим поток, быть упрощенной версией уравнений гидродинамики , тем самым предоставляя аэродинамику ряд быстрых и простых решений. [21]
При решении дозвуковой задачи одним из решений, которое должен принять специалист по аэродинамике, является включение эффектов сжимаемости. Сжимаемость — это описание величины изменения плотности в потоке. Когда эффекты сжимаемости на решение невелики, можно сделать предположение, что плотность постоянна. Тогда задача представляет собой задачу несжимаемой низкоскоростной аэродинамики. Когда плотность может изменяться, поток называется сжимаемым. В воздухе эффекты сжимаемости обычно игнорируются, когда число Маха в потоке не превышает 0,3 (около 335 футов (102 м) в секунду или 228 миль (366 км) в час при 60 °F (16 °C)). Выше числа Маха 0,3 проблемный поток следует описывать с помощью сжимаемой аэродинамики.
Согласно теории аэродинамики, поток считается сжимаемым, если плотность изменяется вдоль линии тока . Это означает, что — в отличие от несжимаемого потока — учитываются изменения плотности. В общем случае это тот случай, когда число Маха в части или во всем потоке превышает 0,3. Значение Маха 0,3 является довольно условным, но оно используется, поскольку потоки газа с числом Маха ниже этого значения демонстрируют изменения плотности менее 5%. Более того, это максимальное изменение плотности на 5% происходит в точке торможения (точка на объекте, где скорость потока равна нулю), в то время как изменения плотности вокруг остальной части объекта будут значительно ниже. Трансзвуковые, сверхзвуковые и гиперзвуковые потоки являются сжимаемыми потоками.
Термин «трансзвуковой» относится к диапазону скоростей потока чуть ниже и выше локальной скорости звука (обычно принимаемой за 0,8–1,2 Маха ). Он определяется как диапазон скоростей между критическим числом Маха , когда некоторые части воздушного потока над самолетом становятся сверхзвуковыми , и более высокой скоростью, обычно около 1,2 Маха , когда весь воздушный поток является сверхзвуковым. Между этими скоростями часть воздушного потока является сверхзвуковой, а часть воздушного потока — нет.
Сверхзвуковые аэродинамические задачи — это задачи, связанные со скоростями потока, превышающими скорость звука. Расчет подъемной силы на Concorde во время крейсерского полета может быть примером сверхзвуковой аэродинамической задачи.
Сверхзвуковой поток ведет себя совсем не так, как дозвуковой. Жидкости реагируют на разницу в давлении; изменения давления — это то, как жидкости «приказано» реагировать на окружающую среду. Следовательно, поскольку звук , по сути, представляет собой бесконечно малую разницу в давлении, распространяющуюся через жидкость, скорость звука в этой жидкости можно считать самой быстрой скоростью, с которой «информация» может перемещаться в потоке. Это различие наиболее очевидно проявляется в случае, когда жидкость ударяется об объект. Перед этим объектом жидкость создает стагнирующее давление , поскольку столкновение с объектом приводит движущуюся жидкость в состояние покоя. В жидкости, движущейся с дозвуковой скоростью, это возмущение давления может распространяться вверх по течению, изменяя картину потока впереди объекта и создавая впечатление, что жидкость «знает», что объект находится там, по-видимому, регулируя свое движение и обтекая его. Однако в сверхзвуковом потоке возмущение давления не может распространяться вверх по течению. Таким образом, когда жидкость наконец достигает объекта, она ударяется о него и вынуждена менять свои свойства — температуру , плотность , давление и число Маха — чрезвычайно резким и необратимым образом, называемым ударной волной . Наличие ударных волн, наряду с эффектами сжимаемости жидкостей с высокой скоростью потока (см. число Рейнольдса ), является центральным различием между сверхзвуковыми и дозвуковыми режимами аэродинамики.
В аэродинамике гиперзвуковые скорости — это скорости, которые сильно превышают звуковые. В 1970-х годах этот термин стал в основном относиться к скоростям в 5 Махов (в 5 раз превышающим скорость звука) и выше. Гиперзвуковой режим является подмножеством сверхзвукового режима. Гиперзвуковой поток характеризуется высокотемпературным потоком за ударной волной, вязким взаимодействием и химической диссоциацией газа.
Режимы несжимаемого и сжимаемого течения порождают множество сопутствующих явлений, таких как пограничные слои и турбулентность.
Концепция пограничного слоя важна во многих задачах аэродинамики. Вязкость и трение жидкости в воздухе аппроксимируются как значимые только в этом тонком слое. Это предположение делает описание такой аэродинамики гораздо более податливым математически.
В аэродинамике турбулентность характеризуется хаотическими изменениями свойств потока. К ним относятся диффузия с низким импульсом, конвекция с высоким импульсом и быстрое изменение давления и скорости потока в пространстве и времени. Поток, который не является турбулентным, называется ламинарным потоком .
Аэродинамика является важным элементом проектирования транспортных средств , включая дорожные автомобили и грузовики , где главной целью является снижение коэффициента лобового сопротивления транспортного средства , и гоночные автомобили , где в дополнение к снижению лобового сопротивления целью является также увеличение общего уровня прижимной силы . [21] Аэродинамика также важна для прогнозирования сил и моментов, действующих на парусные суда . Она используется при проектировании механических компонентов, таких как головки жестких дисков . Инженеры-строители прибегают к аэродинамике, и в частности к аэроупругости , при расчете ветровых нагрузок при проектировании больших зданий, мостов и ветряных турбин .
Аэродинамика внутренних каналов важна в системах отопления/вентиляции , газопроводах и автомобильных двигателях , где подробные схемы потоков сильно влияют на производительность двигателя.
Городская аэродинамика изучается градостроителями и дизайнерами, которые стремятся улучшить удобства на открытом воздухе или создать городской микроклимат для снижения воздействия городского загрязнения. Область экологической аэродинамики описывает способы, которыми атмосферная циркуляция и механика полета влияют на экосистемы.
Уравнения аэродинамики используются в численном прогнозировании погоды .
Виды спорта, в которых аэродинамика имеет решающее значение, включают футбол , настольный теннис , крикет , бейсбол и гольф , в которых большинство игроков могут контролировать траекторию полета мяча, используя « эффект Магнуса ».
Сэра Джорджа Кэли, родившегося в 1773 году, иногда называют отцом авиации. Пионер в своей области, он был первым, кто определил четыре аэродинамические силы полета – вес, подъемную силу, сопротивление и тягу и их взаимосвязь. Он также был первым, кто построил успешный планер для перевозки людей. Кэли описал многие концепции и элементы современного самолета и был первым, кто понял и объяснил в инженерных терминах концепции подъемной силы и тяги.
Общая аэродинамика
Дозвуковая аэродинамика
Трансзвуковая аэродинамика
Сверхзвуковая аэродинамика
Гиперзвуковая аэродинамика
История аэродинамики
Аэродинамика, связанная с машиностроением
Наземные транспортные средства
Самолеты с фиксированным крылом
Вертолеты
Ракеты
Модель самолета
Смежные разделы аэродинамики
Аэротермодинамика
Аэроупругость
Пограничные слои
Турбулентность
