¿Quién tiene información básica sobre aerodinámica de la aviación?
Una breve historia del desarrollo de la aerodinámica
Las primeras investigaciones sobre aerodinámica se remontan a diversas fuerzas que actúan sobre aves o proyectiles durante el vuelo y cómo actúan dichas fuerzas. A finales del siglo XVII, el físico holandés Huygens estimó por primera vez la resistencia de un objeto que se mueve en el aire; en 1726, Newton aplicó principios mecánicos y métodos deductivos para concluir: la fuerza sobre un objeto que se mueve en el aire es el cuadrado de su velocidad; El área característica de un objeto es proporcional a la densidad del aire. Este trabajo puede verse como el comienzo de la teoría clásica de la aerodinámica.
En 1755, el matemático Euler propuso una ecuación diferencial que describía el movimiento de un fluido no viscoso, la ecuación de Euler. Estas ecuaciones diferenciales dinámicas se pueden integrar bajo ciertas condiciones y los resultados obtenidos tienen un gran valor práctico. En la primera mitad del siglo XIX, Navid de Francia y Stokes de Inglaterra propusieron una ecuación de movimiento que describe la conservación del momento en fluidos viscosos e incompresibles, que más tarde se denominó ecuación de Navid-Stokes.
A finales de 2019, se habían formado las bases de la mecánica de fluidos clásica. Desde el siglo XX, con el rápido desarrollo de la industria de la aviación, la aerodinámica se desarrolló a partir de la mecánica de fluidos y formó una nueva rama de la mecánica.
El principal problema a resolver en aviación es cómo obtener la sustentación requerida por el avión, reducir la resistencia del avión y aumentar su velocidad de vuelo. Es necesario estudiar la generación y la ley de fuerza cuando un avión se mueve con respecto al aire en la teoría y la práctica. En 1894, Lanchester, Inglaterra, propuso por primera vez la teoría de la circulación de alas o perfiles aerodinámicos de envergadura infinita para generar sustentación, y la teoría del vórtice de alas de envergadura finita para generar sustentación. Pero la idea de Lanchester no ganó mucha aceptación en ese momento.
Alrededor de 1901 ~ 1910, Coulta y Zhukovsky propusieron de forma independiente la teoría de la circulación y la sustentación de los perfiles aerodinámicos, dieron la forma matemática de la teoría de la sustentación y establecieron una teoría del perfil aerodinámico bidimensional. En 1904, el alemán Planter publicó la famosa teoría de la capa límite del flujo de baja velocidad. La teoría establece que en diferentes regiones de flujo, las ecuaciones gobernantes pueden tener diferentes formas simplificadas.
La teoría de la capa límite ha impulsado enormemente el desarrollo de la aerodinámica. Prandtl también sistematizó la teoría tridimensional de las alas de envergadura finita y dio sus resultados matemáticos, estableciendo así la teoría de la línea de sustentación de las alas de envergadura finita. Sin embargo, no se puede aplicar a pérdidas, ángulos de barrido y relaciones de aspecto pequeñas. En junio de 1946, Estados Unidos propuso la teoría del ala con relación de aspecto pequeña. Utilizando esta teoría y la teoría de la capa límite, la distribución de la presión y la fricción superficial del ala se pueden calcular con suficiente precisión.
El rápido desarrollo de la aviación moderna y la tecnología a reacción ha llevado a un rápido aumento de la velocidad de vuelo. En el caso del movimiento a alta velocidad, para comprender y resolver correctamente los problemas de aerodinámica de alta velocidad, es necesario combinar la mecánica de fluidos y la termodinámica. Durante el período de 1887 a 1896, el científico austriaco Mach señaló que las características de propagación de las perturbaciones causadas por proyectiles son fundamentalmente diferentes en diferentes flujos menores o mayores que la velocidad del sonido.
En el flujo de alta velocidad, la relación entre la velocidad del flujo y la velocidad del sonido local es un parámetro adimensional importante. En 1929, el aerodinámico alemán Arkwright vinculó por primera vez este parámetro adimensional con el nombre de Mach. Diez años más tarde, el parámetro característico de Mach fue ampliamente citado en la dinámica de gases.
La propagación de pequeñas perturbaciones en el flujo supersónico se superpondrán para formar una onda de choque de salto limitado. Las ondas de choque también están presentes en muchos flujos supersónicos prácticos. Cuando el flujo de aire pasa a través del campo de flujo de choque, los parámetros saltan repentinamente, la entropía aumenta y la energía total permanece sin cambios.
En 1870, el científico británico Rankin y en 1887 el científico francés Xu Hongniu establecieron de forma independiente la relación que debe satisfacer el flujo de aire al atravesar una onda de choque, proporcionando condiciones de contorno correctas para el procesamiento matemático de ondas supersónicas. campos de flujo. En 1925, Arkwright propuso una teoría de ala mecánica linealizada bidimensional, seguida de una teoría de ala linealizada tridimensional correspondiente. Estas teorías lineales del flujo supersónico han abordado con éxito los efectos de pequeñas perturbaciones en el flujo.
Cuando la velocidad de vuelo o la velocidad del flujo de aire se acerca a la velocidad del sonido, el rendimiento aerodinámico de la aeronave cambia drásticamente, la resistencia aumenta drásticamente y la sustentación disminuye drásticamente. La capacidad de control y la estabilidad del avión estaban extremadamente deterioradas. Esta fue la famosa barrera del sonido en la historia de la aviación.
La aparición de motores de alto empuje rompió la barrera del sonido, pero no resolvió bien el complejo problema del flujo transónico. No fue hasta la década de 1960 que la investigación sobre el flujo transónico recibió más atención y se desarrolló en gran medida debido a las necesidades del vuelo de crucero transónico, el vuelo de maniobra y el desarrollo de motores a reacción eficientes.
El desarrollo de misiles de largo alcance y satélites artificiales ha impulsado el desarrollo de la aerodinámica hipersónica. En las décadas de 1950 y 1960, se establecieron la teoría del flujo hipersónico no viscoso y los métodos de cálculo de ingeniería aerodinámica. A principios de la década de 1960, los cálculos numéricos del flujo hipersónico también se desarrollaron rápidamente. Mediante el estudio de estos fenómenos y leyes, se desarrollaron la dinámica de los gases a alta temperatura, la teoría de la capa límite de alta velocidad y la teoría del flujo sin equilibrio.
Debido a la ablación de materiales de la superficie de los aviones y la eyección de masa a altas temperaturas, es necesario estudiar el flujo multifásico de gases a alta temperatura. El desarrollo de la aerodinámica se caracteriza por la integración de múltiples disciplinas.
Otro aspecto importante del desarrollo de la aerodinámica es la investigación experimental, incluido el desarrollo de diversos equipos experimentales, como túneles de viento, así como el desarrollo de teorías, métodos y tecnologías de prueba experimentales. El primer túnel de viento del mundo se construyó en 1871 en Wenham, Inglaterra. Hasta ahora, existen docenas de túneles de viento adecuados para diversas condiciones de simulación, propósitos, usos y diversos métodos de medición, y el contenido de los experimentos en túneles de viento es extremadamente extenso.
Desde la década de 1970, el rápido desarrollo de la tecnología láser, la tecnología electrónica y las computadoras ha mejorado enormemente el nivel experimental y el nivel de cálculo de la aerodinámica y ha promovido la investigación de problemas altamente no lineales y flujos estructurales complejos.
Además del desarrollo antes mencionado de la industria aeroespacial que ha impulsado el desarrollo de la aerodinámica, a partir de la década de 1960, debido al desarrollo del transporte, el transporte, la construcción, la meteorología, la protección del medio ambiente, la utilización de energía. y otros aspectos, ha surgido la aerodinámica industrial Aerodinámica y otras ramas.
El contenido de la investigación de la aerodinámica
Por lo general, el contenido de la investigación de la aerodinámica son las reglas cambiantes de la velocidad, presión y densidad del gas en el campo de flujo de aviones, misiles y otros aviones bajo vuelo famoso. condiciones, fuerzas aerodinámicas como la sustentación y la resistencia al avance y sus reglas cambiantes, cambios físicos y químicos entre el medio gaseoso o el gas y la aeronave, reglas de transferencia de calor y masa. En este sentido, la aerodinámica se puede dividir en dos categorías:
Primero, según el rango de velocidad del movimiento del fluido o la velocidad de vuelo de la aeronave, la aerodinámica se puede dividir en aerodinámica de baja velocidad y aerodinámica de alta velocidad. estudio de aerodinámica. Normalmente se utiliza como línea divisoria una velocidad de 400 km/h. En aerodinámica de baja velocidad, el medio gaseoso puede considerarse incompresible y el flujo correspondiente se denomina flujo incompresible. Cuando la velocidad es mayor que ésta, se debe considerar la compresibilidad del gas y los cambios en las propiedades termodinámicas del gas. Este flujo, que corresponde a la aerodinámica de alta velocidad, se denomina flujo compresible.
En segundo lugar, según se deba considerar o no la viscosidad del medio gaseoso en el flujo, la aerodinámica se puede dividir en aerodinámica ideal (o aerodinámica ideal) y aerodinámica viscosa.
Además de las clasificaciones anteriores, la aerodinámica también tiene algunas ramas marginales. Como dinámica de gases enrarecidos, dinámica de gases de alta temperatura, etc.
En aerodinámica de baja velocidad, el cambio en la densidad media es muy pequeño y puede considerarse como una constante. Las teorías básicas utilizadas incluyen el flujo potencial bidimensional y tridimensional invisible, la teoría del perfil aerodinámico, la teoría de la línea de sustentación, la teoría de la superficie de sustentación y la teoría de la capa límite de baja velocidad. Para el flujo subsónico, el flujo potencial invisible obedece a ecuaciones diferenciales parciales elípticas no lineales. Las principales teorías y métodos de aproximación para estudiar este tipo de flujo incluyen el método de linealización de pequeñas perturbaciones, la ley de separación de Planter-Graue, la fórmula de Carmen-Qian Xuesen y el método del diagrama de velocidad, así como la teoría de la capa límite compresible en flujo viscoso. Para el flujo supersónico, las ecuaciones del flujo no viscoso son ecuaciones diferenciales parciales hiperbólicas no lineales.
En flujo supersónico, los contenidos básicos de investigación incluyen ondas de compresión, ondas de expansión, ondas de choque, flujo Plantel-Meyer, flujo cónico, etc. Los principales métodos de tratamiento teórico incluyen la teoría de pequeñas perturbaciones supersónicas, el método de líneas características y la teoría de la capa límite de alta velocidad. El flujo transónico invisible se puede dividir en dos partes: flujo externo y flujo interno, y los cambios de flujo son complejos. La ecuación que gobierna el flujo es una ecuación diferencial parcial mixta no lineal, que es difícil de resolver teóricamente.
Las principales características del flujo hipersónico son un alto número de Mach y una alta energía. En los flujos hipersónicos, los efectos reales del gas y la interacción de choque con la capa límite se vuelven aún más importantes. El flujo hipersónico se divide en flujo no viscoso y flujo viscoso hipersónico.
La aerodinámica industrial estudia principalmente la interacción entre el viento en la capa límite atmosférica y diversas estructuras y actividades humanas, así como las características del viento en la capa límite atmosférica, el efecto del viento sobre los edificios y la masa. transferencia causada por el viento, el efecto del viento en los vehículos de transporte y la utilización de la energía eólica, así como las características del flujo de la atmósfera inferior y las reglas de difusión de varias partículas en la atmósfera, especialmente las reglas de difusión de los flujos terminales, etc.
Métodos de investigación de la aerodinámica
La investigación de la aerodinámica se divide en dos vertientes: teoría y experimentación. La investigación teórica y experimental están estrechamente integradas y se complementan entre sí. Los principios generales en los que se basa la investigación teórica son: en cinemática, se sigue la ley de conservación de la masa; en dinámica, se sigue la segunda ley de Newton; en términos de conversión y transferencia de energía, se sigue la ley de conservación de la energía; termodinámica, sigue la primera y tercera ley de la termodinámica. Segunda ley en lo que respecta a las propiedades del medio, sigue la correspondiente ecuación de estado del gas y las reglas de cambio de viscosidad, conductividad térmica, etc.
La investigación experimental es el resultado de observar y registrar diversos fenómenos de flujo con la ayuda de equipos o dispositivos experimentales, midiendo la interacción entre el flujo de aire y los objetos, descubriendo nuevas propiedades físicas y descubriendo regularidades. Debido al rápido desarrollo de las modernas computadoras electrónicas de alta velocidad, los cálculos numéricos desempeñan un papel importante en el cálculo y la investigación de flujos y fuerzas complejos, y las computadoras electrónicas de alta velocidad desempeñan un papel cada vez más importante en la investigación experimental. Por lo tanto, la estrecha combinación de investigación teórica, investigación experimental y cálculo numérico es la característica principal de la investigación aerodinámica moderna.
El proceso de investigación en aerodinámica es generalmente: a través de experimentos y observaciones, analizar fenómenos y mecanismos de flujo y proponer modelos mecánicos razonables. Con base en las leyes físicas en los aspectos anteriores, se proponen las ecuaciones básicas y las condiciones de solución definidas para describir el flujo, luego se prueban más a fondo la exactitud y aplicabilidad del análisis teórico o los resultados numéricos con base en los resultados experimentales y se plantean preguntas para estudios experimentales o futuros; Se plantean investigaciones teóricas. La esencia de los problemas aerodinámicos se revela repetida, extensa y profundamente.
Desde la década de 1970, las áreas más activas del desarrollo aerodinámico son la turbulencia, la transición de la capa límite, la interacción de la onda de choque y la capa límite, el flujo transónico, el flujo de vórtice y separación, y el flujo multifásico, la computación numérica y las técnicas de prueba experimentales. . Además, se han logrado grandes avances en aerodinámica industrial, aerodinámica ambiental y dinámica de gases considerando cambios físicos y químicos.