Введение
Аэродинамика (ἀήρ aero (air) + δυναμική (dynamics)) – это раздел динамики, посвященный изучению движения воздуха. Аэродинамика, в частности, изучает влияние твердых тел, таких как крыло самолета, на движение воздуха. Она включает в себя темы, охватываемые в области динамики жидкостей и её подраздела – динамики газов, и является важной областью исследований в авиационной технике. Термин «аэродинамика» часто используется как синоним «динамики газов», однако «динамика газов» применяется к изучению движения всех газов, а не только воздуха. Систематическое изучение аэродинамики началось в XVIII веке, хотя наблюдения за фундаментальными понятиями, такими как аэродинамическое сопротивление, были сделаны гораздо раньше. Большинство ранних работ в области аэродинамики были направлены на создание летательных аппаратов тяжелее воздуха, что впервые было продемонстрировано Отто Лилиенталем в 1891 году. С тех пор использование аэродинамики посредством математического анализа, эмпирических оценок, экспериментов в аэродинамических трубах и компьютерного моделирования стало рациональной основой для развития авиации и ряда других технологий. Современные исследования в области аэродинамики сосредоточены на вопросах, связанных со сжимаемым течением, турбулентностью и пограничными слоями, и все больше опираются на вычислительные методы.
Aerodynamics (ἀήρ aero (air) + δυναμική (dynamics)) is the study of the motion of air, particularly when affected by a solid object, such as an airplane wing. It involves topics covered in the field of fluid dynamics and its subfield of gas dynamics, and is an important domain of study in aeronautics. The term aerodynamics is often used synonymously with gas dynamics, the difference being that "gas dynamics" applies to the study of the motion of all gases, and is not limited to air. The formal study of aerodynamics began in the modern sense in the eighteenth century, although observations of fundamental concepts such as aerodynamic drag were recorded much earlier. Most of the early efforts in aerodynamics were directed toward achieving heavier than air flight, which was first demonstrated by Otto Lilienthal in 1891. Since then, the use of aerodynamics through mathematical analysis, empirical approximations, wind tunnel experimentation, and computer simulations has formed a rational basis for the development of heavier than air flight and a number of other technologies. Recent work in aerodynamics has focused on issues related to compressible flow, turbulence, and boundary layers and has become increasingly computational in nature.
История
Современная аэродинамика берет начало в XVII веке, но аэродинамические силы использовались людьми на протяжении тысячелетий в парусных лодках и ветряных мельницах, а изображения и истории о полетах встречаются на протяжении всей задокументированной истории, например, древнегреческий миф об Икаре и Дедале. Фундаментальные понятия континуума, сопротивления и градиентов давления встречаются в трудах Аристотеля и Архимеда, что делает его одним из первых аэродинамиков. Голландский швейцарский математик Даниэль Бернулли продолжил исследования в 1738 году, опубликовав работу Hydrodynamica, в которой описал фундаментальную связь между давлением, плотностью и скоростью потока для несжимаемого потока, известную сегодня как принцип Бернулли, предоставляющий один из методов расчета аэродинамической подъемной силы. В 1757 году Леонард Эйлер опубликовал более общие уравнения Эйлера, применимые как к сжимаемым, так и к несжимаемым потокам. Уравнения Эйлера были расширены с включением эффектов вязкости в первой половине XIX века, что привело к уравнениям Навье-Стокса. Уравнения Навье-Стокса являются наиболее общими управляющими уравнениями для течения жидкости, но их сложно решать для потока вокруг всех форм, кроме самых простых. В 1799 году сэр Джордж Кейли впервые определил четыре аэродинамические силы, действующие на летательный аппарат (вес, подъемная сила, сопротивление и тяга), а также взаимосвязь между ними, тем самым наметив путь к созданию летательных аппаратов тяжелее воздуха в следующем столетии. В 1871 году Фрэнсис Герберт Уэнэм построил первую аэродинамическую трубу, позволяющую проводить точные измерения аэродинамических сил. Теории сопротивления были разработаны Жаном Лероном д’Аламбером, Густавом Кирхгофом и лордом Рэлеем. В 1889 году французский авиационный инженер Шарль Ренар первым обоснованно предсказал мощность, необходимую для устойчивого полета. Отто Лилиенталь, первый человек, добившийся значительных успехов в полетах на планерах, также первым предложил тонкие, изогнутые профили крыла, способные создавать высокую подъемную силу и низкое сопротивление. Развиваясь на основе этих достижений, а также исследований, проведенных в собственной аэродинамической трубе, братья Райт совершили первый полет на самолете с двигателем 17 декабря 1903 года. Во время первых полетов Фредерик Ланчестер, Мартин Кутта и Николай Жуковский независимо друг от друга создали теории, связывающие циркуляцию потока жидкости с подъемной силой. Кутта и Жуковский разработали двухмерную теорию крыла. Расширяя работы Ланчестера, Людвиг Прандтль считается автором математических основ теории тонкого профиля и теории несущей линии, а также исследований пограничного слоя. С увеличением скорости самолетов конструкторы начали сталкиваться с проблемами, связанными со сжимаемостью воздуха на скоростях, близких к скорости звука. Изменения в воздушном потоке в таких условиях приводили к проблемам с управлением самолетом, увеличению сопротивления из-за ударных волн и угрозе структурного разрушения из-за аэроупругого флаттера. Отношение скорости потока к скорости звука было названо числом Маха в честь Эрнста Маха, одного из первых исследователей свойств сверхзвукового потока. Маккорн Ранкин и Пьер Анри Югонио независимо разработали теорию свойств потока до и после ударной волны, а Якоб Аккерет возглавил первые работы по расчету подъемной силы и сопротивления сверхзвуковых профилей. Теодор фон Карман и Хью Латимер Драйден ввели термин «трансоник» для описания скоростей потока между критическим числом Маха и числом Маха 1, где сопротивление быстро возрастает. Это резкое увеличение сопротивления привело к разногласиям между аэродинамиками и авиаторами относительно возможности достижения сверхзвукового полета, пока звуковой барьер не был преодолен в 1947 году на самолете Bell X-1. К тому времени, когда звуковой барьер был преодолен, понимание аэродинамиками дозвукового и низкоскоростного сверхзвукового потока достигло зрелости. Холодная война стимулировала разработку постоянно совершенствующейся линейки высокопроизводительных самолетов. Вычислительная гидродинамика началась как попытка решить задачу о свойствах потока вокруг сложных объектов и быстро развилась до того, что целые самолеты могут быть спроектированы с использованием компьютерного программного обеспечения, а испытания в аэродинамической трубе и летные испытания проводятся для подтверждения компьютерных прогнозов. Понимание сверхзвуковой и гиперзвуковой аэродинамики развивалось с 1960-х годов, и задачи аэродинамиков сместились от изучения поведения потока жидкости к проектированию летательного аппарата, который предсказуемо взаимодействует с потоком жидкости. Проектирование самолетов для сверхзвуковых и гиперзвуковых условий, а также стремление повысить аэродинамическую эффективность современных самолетов и двигательных установок продолжают стимулировать новые исследования в области аэродинамики, в то время как продолжаются работы над важными проблемами базовой аэродинамической теории, связанными с турбулентностью потока и существованием и единственностью аналитических решений уравнений Навье-Стокса.
Основные понятия
Понимание движения воздуха вокруг объекта (часто называемого полем течения) позволяет рассчитать силы и моменты, действующие на объект. Во многих задачах аэродинамики интересующие силы являются основными силами полета: подъемная сила, сопротивление, тяга и вес. Из них подъемная сила и сопротивление являются аэродинамическими силами, то есть силами, обусловленными обтеканием воздуха твердого тела. Расчет этих величин часто основывается на предположении, что поле течения ведет себя как континуум. Континуальные поля течения характеризуются такими свойствами, как скорость течения, давление, плотность и температура, которые могут быть функциями положения и времени. Эти свойства могут быть измерены непосредственно или косвенно в аэродинамических экспериментах или рассчитаны на основе уравнений сохранения массы, импульса и энергии для воздушных потоков. Плотность, скорость течения и дополнительное свойство, вязкость, используются для классификации полей течения.
Классификация потоков
Скорость потока используется для классификации потоков по скоростному режиму. Подзвуковые потоки – это поля течения, в которых скорость воздуха всегда ниже локальной скорости звука. Трансонические потоки включают в себя как области подзвукового течения, так и области, в которых локальная скорость течения превышает локальную скорость звука. Сверхзвуковые потоки определяются как течения, в которых скорость течения повсюду больше скорости звука. Четвертая классификация – гиперзвуковое течение – относится к течениям, где скорость течения значительно превышает скорость звука. Аэродинамики расходятся во мнениях относительно точного определения гиперзвукового течения. Сжимаемое течение учитывает изменение плотности внутри течения. Подзвуковые течения часто идеализируются как несжимаемые, то есть плотность считается постоянной. Трансонические и сверхзвуковые течения являются сжимаемыми, и вычисления, игнорирующие изменение плотности в этих полях течения, дадут неточные результаты. Вязкость связана с силами трения в течении. В некоторых полях течения вязкие эффекты очень малы, и приближенные решения могут безопасно пренебрегать ими. Эти приближения называются безвязкими течениями. Течения, в которых вязкость не игнорируется, называются вязкими течениями. Наконец, аэродинамические задачи также могут быть классифицированы по среде течения. Внешняя аэродинамика изучает течение вокруг твердых объектов различной формы (например, вокруг крыла самолета), а внутренняя аэродинамика – течение внутри каналов в твердых объектах (например, в реактивном двигателе).
Предположение о непрерывности
В отличие от жидкостей и твердых тел, газы состоят из отдельных молекул, которые занимают лишь малую часть объема, занимаемого газом. На молекулярном уровне поля течения формируются в результате столкновений множества отдельных молекул газа друг с другом и с твердыми поверхностями. Однако в большинстве аэродинамических приложений дискретная молекулярная природа газов игнорируется, и считается, что поле течения ведет себя как континуум. Это допущение позволяет определять свойства среды, такие как плотность и скорость течения, в каждой точке потока. Обоснованность допущения о континууме зависит от плотности газа и конкретной области применения. Для справедливости допущения о континууме средняя длина свободного пробега должна быть значительно меньше характерного размера рассматриваемой задачи. Например, многие аэродинамические задачи связаны с полетом самолетов в атмосферных условиях, где средняя длина свободного пробега составляет порядка микрометров, а размеры самолета на много порядков больше. В этих случаях характерный размер самолета варьируется от нескольких метров до нескольких десятков метров, что значительно превышает среднюю длину свободного пробега. Для таких задач допущение о континууме является разумным. Допущение о континууме менее применимо к потокам чрезвычайно низкой плотности, таким как те, с которыми сталкиваются аппараты на очень больших высотах (например, 300 000 футов / 90 км) или спутники на низкой околоземной орбите. В этих случаях статистическая механика является более точным методом решения задачи, чем континуальная аэродинамика. Число Кнудсена может служить ориентиром при выборе между статистической механикой и континуальным подходом в аэродинамике.
Законы охраны
Предположение о континууме жидкости позволяет решать задачи аэродинамики, используя законы сохранения динамики жидкости. Используются три принципа сохранения: сохранение массы – сохранение массы требует, чтобы масса не создавалась и не уничтожалась в потоке; математическая формулировка этого принципа известна как уравнение неразрывности. Сохранение импульса – математическая формулировка этого принципа может рассматриваться как применение второго закона Ньютона. Импульс в потоке изменяется только под действием внешних сил, которые могут включать как поверхностные силы, такие как силы вязкости (трения), так и объёмные силы, такие как вес. Принцип сохранения импульса может быть выражен в виде векторного уравнения или разложен на набор из трёх скалярных уравнений (компоненты x, y, z). Сохранение энергии – уравнение сохранения энергии утверждает, что энергия не создаётся и не уничтожается в потоке, и что любое добавление или отвод энергии из объёма в потоке происходит за счёт теплопередачи или совершения работы над рассматриваемой областью и из неё. Вместе эти уравнения известны как уравнения Навье-Стокса, хотя некоторые авторы определяют этот термин, включая в него только уравнение (или уравнения) сохранения импульса. Уравнения Навье-Стокса не имеют известных аналитических решений и решаются в современной аэродинамике с использованием вычислительных методов. Поскольку вычислительные методы с использованием высокоскоростных компьютеров исторически были недоступны, а решение этих сложных уравнений остаётся вычислительно затратным даже при их наличии, упрощения уравнений Навье-Стокса применялись и продолжают применяться. Уравнения Эйлера представляют собой набор аналогичных уравнений сохранения, в которых пренебрегается вязкостью, и могут использоваться в случаях, когда влияние вязкости ожидается незначительным. Дальнейшие упрощения приводят к уравнению Лапласа и теории потенциального потока. Кроме того, уравнение Бернулли является одномерным решением уравнений сохранения импульса и энергии. Закон идеального газа или другое подобное уравнение состояния часто используется совместно с этими уравнениями для формирования определённой системы, позволяющей найти решение для неизвестных переменных.
Conservation of mass Conservation of mass requires that mass is neither created nor destroyed within a flow; the mathematical formulation of this principle is known as the mass continuity equation. Conservation of momentum The mathematical formulation of this principle can be considered an application of Newton's Second Law. Momentum within a flow is only changed by external forces, which may include both surface forces, such as viscous (frictional) forces, and body forces, such as weight. The momentum conservation principle may be expressed as either a vector equation or separated into a set of three scalar equations (x,y,z components). Conservation of energy The energy conservation equation states that energy is neither created nor destroyed within a flow, and that any addition or subtraction of energy to a volume in the flow is caused by heat transfer, or by work into and out of the region of interest. Together, these equations are known as the Navier–Stokes equations, although some authors define the term to only include the momentum equation(s). The Navier–Stokes equations have no known analytical solution and are solved in modern aerodynamics using computational techniques. Because computational methods using high speed computers were not historically available and the high computational cost of solving these complex equations now that they are available, simplifications of the Navier–Stokes equations have been and continue to be employed. The Euler equations are a set of similar conservation equations which neglect viscosity and may be used in cases where the effect of viscosity is expected to be small. Further simplifications lead to Laplace's equation and potential flow theory. Additionally, Bernoulli's equation is a solution in one dimension to both the momentum and energy conservation equations. The ideal gas law or another such equation of state is often used in conjunction with these equations to form a determined system that allows the solution for the unknown variables.
Отрасли аэродинамики
Аэродинамические задачи классифицируются по характеристикам потока или свойствам среды, включая скорость потока, сжимаемость и вязкость. Внешняя аэродинамика изучает течение вокруг твердых тел различной формы. Оценка подъемной силы и сопротивления самолета или ударных волн, формирующихся перед носовой частью ракеты, являются примерами задач внешней аэродинамики. Внутренняя аэродинамика изучает течение внутри каналов в твердых телах. Например, внутренняя аэродинамика охватывает изучение потока воздуха через реактивный двигатель или воздуховод системы кондиционирования. Аэродинамические задачи также классифицируются в зависимости от того, находится ли скорость потока ниже, вблизи или выше скорости звука. Задача называется дозвуковой, если все скорости в ней меньше скорости звука, трансзвуковой – если присутствуют скорости как ниже, так и выше скорости звука (обычно, когда характеристическая скорость приблизительно равна скорости звука), сверхзвуковой – когда характеристическая скорость потока превышает скорость звука, и гиперзвуковой – когда скорость потока значительно больше скорости звука. Аэродинамики расходятся во мнениях относительно точного определения гиперзвукового течения; приблизительно гиперзвуковым считается течение с числами Маха выше 5. При решении дозвуковой задачи аэродинамику необходимо решить, учитывать ли эффекты сжимаемости. Сжимаемость описывает степень изменения плотности в потоке. Если влияние сжимаемости на решение незначительно, можно предположить, что плотность постоянна. В этом случае задача относится к области несжимаемой аэродинамики малых скоростей. Если плотность допускается к изменению, течение называется сжимаемым. В воздухе эффекты сжимаемости обычно игнорируются, когда число Маха в потоке не превышает 0,3 (около 102 м/с или 366 км/ч при 16 °C). При числах Маха выше 0,3 течение необходимо описывать с использованием сжимаемой аэродинамики.
Аэродинамика сжатия
Согласно теории аэродинамики, поток считается сжимаемым, если плотность изменяется вдоль линии тока. Это означает, что, в отличие от несжимаемого потока, изменения плотности принимаются во внимание. Как правило, это происходит, когда число Маха в части или во всем потоке превышает 0,3. Значение 0,3 Маха достаточно условно, но оно используется, поскольку газовые потоки с числом Маха ниже этого значения демонстрируют изменения плотности менее чем на 5%. Более того, это максимальное изменение плотности на 5% происходит в точке застоя (точка на теле, где скорость потока равна нулю), в то время как изменения плотности вокруг остальной поверхности тела будут значительно меньше. Трансзвуковые, сверхзвуковые и гиперзвуковые потоки являются сжимаемыми потоками.
Трансонический поток
Термин "трансонический" относится к диапазону скоростей потока, немного ниже и выше локальной скорости звука (обычно принимается за Мах 0,8–1,2). Он определяется как диапазон скоростей между критическим числом Маха, при котором некоторые части воздушного потока над летательным аппаратом становятся сверхзвуковыми, и более высокой скоростью, как правило, около Маха 1,2, когда весь воздушный поток становится сверхзвуковым. В этом диапазоне скоростей часть воздушного потока сверхзвуковая, а часть – нет.
Сверхзвуковой поток
Сверхзвуковые аэродинамические задачи – это задачи, связанные со скоростями потока, превышающими скорость звука. Расчет подъемной силы самолета «Конкорд» в крейсерском полете может служить примером сверхзвуковой аэродинамической задачи. Сверхзвуковое течение ведет себя совершенно иначе, чем дозвуковое. Жидкости реагируют на разницу давлений; изменения давления – это способ, которым жидкость "получает информацию" о своей среде. Следовательно, поскольку звук – это, по сути, бесконечно малая разница давлений, распространяющаяся в жидкости, скорость звука в этой жидкости можно рассматривать как максимально возможную скорость распространения "информации" в потоке. Это различие наиболее заметно проявляется при ударе жидкости об объект. Перед объектом жидкость создает давление застоя, поскольку столкновение с объектом останавливает движущуюся жидкость. В жидкости, движущейся с дозвуковой скоростью, это возмущение давления может распространяться против течения, изменяя картину потока перед объектом и создавая впечатление, что жидкость "знает" о наличии объекта, как бы корректируя свое движение и обтекая его. Однако в сверхзвуковом потоке возмущение давления не может распространяться против течения. Таким образом, когда жидкость достигает объекта, она ударяет о него, и жидкость вынуждена резко и необратимо изменить свои свойства – температуру, плотность, давление и число Маха – в процессе, называемом ударной волной. Наличие ударных волн, наряду с эффектами сжимаемости при высоких скоростях потока (см. число Рейнольдса), является ключевым отличием между сверхзвуковой и дозвуковой аэродинамикой.
Гиперзвуковой поток
В аэродинамике гиперзвуковыми скоростями называют скорости, значительно превышающие скорость звука. В 1970-х годах этот термин стал обычно применяться к скоростям, начиная с 5 Махов (в 5 раз превышающих скорость звука) и выше. Гиперзвуковой режим является частью сверхзвукового режима. Гиперзвуковой поток характеризуется высокой температурой потока за ударной волной, вязким взаимодействием и химической диссоциацией газа.
Сопутствующая терминология
Несжимаемые и сжимаемые режимы течения вызывают множество сопутствующих явлений, таких как пограничные слои и турбулентность.
Пограничные слои
Понятие пограничного слоя играет важную роль во многих задачах аэродинамики. Вязкость и сопротивление трения в воздухе приближенно считаются значимыми только в этом тонком слое. Это допущение значительно упрощает математическое описание такой аэродинамики.
Турбулентность
В аэродинамике турбулентность характеризуется хаотичными изменениями свойств потока. К ним относятся низкая диффузия импульса, высокая конвекция импульса, а также быстрое изменение давления и скорости потока в пространстве и времени. Поток, который не является турбулентным, называется ламинарным.
Инженерный проект
Аэродинамика является важным элементом при проектировании транспортных средств, включая легковые автомобили и грузовики, где основная цель – снижение коэффициента аэродинамического сопротивления, и гоночные автомобили, где, помимо снижения сопротивления, также необходимо увеличить общую прижимную силу. Аэродинамика также важна для прогнозирования сил и моментов, действующих на парусные суда. Она используется при разработке механических компонентов, таких как головки жестких дисков. Инженеры-конструкторы обращаются к аэродинамике, и в частности к аэроэластичности, при расчете ветровых нагрузок при проектировании крупных зданий, мостов и ветряных турбин. Аэродинамика внутренних каналов важна в системах отопления и вентиляции, газопроводах, а также в автомобильных двигателях, где детальные характеристики потока оказывают существенное влияние на производительность двигателя.
Экологический дизайн
Городская аэродинамика изучается градостроителями и дизайнерами для улучшения комфорта в общественных пространствах или создания городских микроклиматов с целью снижения влияния городского загрязнения. Область экологической аэродинамики описывает, каким образом циркуляция атмосферы и механика полета воздействуют на экосистемы. Аэродинамические уравнения применяются в численном моделировании погоды.
Контроль мяча в спорте
К видам спорта, в которых аэродинамика играет решающую роль, относятся футбол, настольный теннис, крикет, бейсбол и гольф, в которых большинство игроков способны управлять траекторией мяча, используя "эффект Магнуса".