發(fā)布時間：2016-06-10 23:00

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計算空氣動力學(xué) - 計算空氣動力學(xué)

計算空氣動力學(xué) - 正文

　　 這一空氣動力學(xué)的學(xué)科分支自60年代后期以來得到了迅速的發(fā)展，主要原因是：利用計算空氣動力學(xué)的方法，不但可以對外形給定的飛行器進(jìn)行空氣動力學(xué)的分析，還可以按預(yù)定的氣動特性要求設(shè)計飛行器的外形，得出流場中物理量的細(xì)節(jié)分布，不存在風(fēng)洞實驗中洞壁和支架干擾等一系列麻煩問題；另一個原因是計算機(jī)的運算能力迅速提高，計算費用下降。計算空氣動力學(xué)在飛行器的空氣動力學(xué)分析和設(shè)計中發(fā)揮著越來越大的作用，使設(shè)計過程發(fā)生了根本性的變革。

計算空氣動力學(xué)

　　計算空氣動力學(xué)的主要內(nèi)容包括建立數(shù)學(xué)模型、數(shù)值計算方法、計算機(jī)技術(shù)三個方面。
　　數(shù)學(xué)模型 　在實驗觀察的基礎(chǔ)上，對流場的物理本質(zhì)進(jìn)行深入的理解和分析，建立起描述流場的合理的數(shù)學(xué)模型，為計算空氣動力學(xué)提供出發(fā)的基本方程組和初、邊值條件。在航空、航天方面，飛行器周圍的流場非常復(fù)雜,且隨飛行器的飛行高度和飛行速度有很大變化,必須考慮空氣的連續(xù)或非連續(xù)性、壓縮性、熱傳導(dǎo)性、粘性和其他物理、化學(xué)過程，因此基本方程組是十分復(fù)雜的。例如，對于不能視為連續(xù)介質(zhì)的稀薄空氣，描述其運動的基本方程組為玻爾茨曼方程，這是一非線性的偏微分-積分方程，對于可視為連續(xù)介質(zhì)的空氣,描述其運動的基本方程組為納維爾-斯托克斯方程(簡稱N-S方程)，，這是一非線性的偏微分方程組。N-S 方程可由玻爾茨曼方程導(dǎo)出,雖然比玻爾茨曼方程簡單了許多,但是仍嫌復(fù)雜�，F(xiàn)代即使用最有效的數(shù)值計算方法和容量最大、速度最快的計算機(jī)，也還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能通過求解這一方程組來模擬真實飛行器的繞流。因此，為了解決實際工程問題,必須根據(jù)實際問題的物理特征對 N-S方程進(jìn)行不同程度的簡化，建立各種近似的數(shù)學(xué)模型和數(shù)學(xué)方程。廣泛采用的簡化近似方程有：線性位流方程、非線性位流方程、非線性歐拉方程、粘性邊界層方程、粘性薄層近似方程、拋物化N-S方程和完全N-S方程等。
　�、倬�性位流方程：假設(shè)氣體無粘性，存在速度位對繞細(xì)長機(jī)身薄翼及其組合體的純亞音速和純超音速小迎角繞流,可以進(jìn)一步假設(shè)這類物體對流場產(chǎn)生小擾動,因而可以將速度位方程線性化，從而給出線性位流方程。
　�、诜蔷�性位流方程：假設(shè)氣體無粘性，對含有弱激波的跨音速繞流問題，即使在小擾動假定下，也不能將方程線性化，但仍可假設(shè)存在速度位，這時采用的方程為非線性位流方程。
　�、鄯蔷�性歐拉方程：由L.歐拉建立的只假設(shè)氣體無粘性的方程。它比上面兩種方程更為精確。對于具有較強激波或有分離渦面的流動和其他一些復(fù)雜的問題，在求氣動力時常采用這種方程。
　�、苓吔鐚臃匠蹋豪字Z數(shù)(Re)很高的氣流繞過飛行器表面時，在物面很薄的流體層內(nèi)，粘性力的作用不可忽略，以為小參數(shù)簡化N-S 方程而得到的一級近似方程稱為邊界層方程，它是德國流體力學(xué)家L.普朗特提出的，又稱普朗特邊界層方程。
　�、菡承员臃匠蹋喝约僭O(shè)粘性的影響主要集中在飛行器表面附近的薄層內(nèi)。但以ε為小參數(shù)簡化N-S方程時，準(zhǔn)確度比邊界層方程更高一階，這樣獲得的方程稱為粘性薄層近似方程。與邊界層方程比較，它適用的雷諾數(shù)范圍更大，且考慮了粘性、無粘性的相互干擾作用。
　�、迴佄锘腘-S方程：在N-S方程中略去一切沿主流方向的二階粘性耗散項后所得到的方程。這樣獲得的方程組在數(shù)學(xué)性質(zhì)上是拋物型的,所以稱拋物化的N-S方程。為了便于區(qū)別,一般把不經(jīng)過任何簡化的N-S方程稱為完全的N-S方程。
　　數(shù)值計算方法 　為了求解上面幾類數(shù)學(xué)模型的方程組，必須采用有效的數(shù)值方法。數(shù)值計算方法的有效性常常與方程的數(shù)學(xué)性質(zhì)有關(guān)。例如對于線性位流方程，采用有限基本解法或面板法是很有效的。對于橢圓型方程，有限元素法也是有效的。在求解各類非線性氣動方程時，廣泛采用有限差分法和有限體積法。此外有限元素法和譜分析法也在發(fā)展中。
　　計算機(jī)技術(shù) 　利用計算機(jī)可以完成數(shù)值計算、公式推導(dǎo)、網(wǎng)格生成、計算結(jié)果分析和計算流場的圖像顯示。為了完成復(fù)雜的三維流場計算,需要發(fā)展巨型計算機(jī),并采用并行處理、流水線處理或多方處理的并行操作。中國在80年代初已研制成功億次“銀河”大型計算機(jī)。為了滿足公式推導(dǎo)和流場顯示等要求，還須發(fā)展有關(guān)計算機(jī)軟件。計算機(jī)計算能力的提高，不會削弱氣動理論研究的發(fā)展，相反，它能加深人們對復(fù)雜流動現(xiàn)象的認(rèn)識和理解。計算空氣動力學(xué)的發(fā)展并不排斥風(fēng)洞實驗研究工作。兩者結(jié)合，互相補充，逐步實現(xiàn)一體化，是飛行器設(shè)計和氣動研究的發(fā)展方向。

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