什么是空氣動(dòng)力學(xué)？

空氣動(dòng)力學(xué) (Aerodynamics)，是流體力學(xué)的一個(gè)分支，主要研究物體在空氣或其它氣體中運(yùn)動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的各種力。

-空氣動(dòng)力學(xué)為流體力學(xué)在工程上的應(yīng)用力學(xué)，特別討論在馬赫數(shù)大于0.3的流場(chǎng)情形。
-空氣動(dòng)力學(xué)因?yàn)橛懻摰臓顩r接近真實(shí)流體，考慮了真實(shí)流體的黏滯性、可壓縮性、三維運(yùn)動(dòng)等特點(diǎn)，所以得到的計(jì)算方程式比較復(fù)雜，通常為非線性的偏微分方程式形式。這種方程在絕大多數(shù)的情況下都難以求得解析解的，加之早期計(jì)算技術(shù)還比較落后，所以當(dāng)時(shí)大多是以實(shí)驗(yàn)的方式來求得所需的數(shù)據(jù)。
-隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，使用計(jì)算機(jī)進(jìn)行大量數(shù)值運(yùn)算來求解空氣動(dòng)力學(xué)方程式成為可能。利用數(shù)值法以及計(jì)算流體力學(xué)方法，可以求出非線性偏微分方程的數(shù)值解，得到所需要的各種數(shù)據(jù)，從而省去了大量的實(shí)驗(yàn)成本。由于數(shù)學(xué)模型的不斷完善以及計(jì)算機(jī)計(jì)算能力的不斷提高，現(xiàn)在已經(jīng)可以采用電腦模擬流場(chǎng)的方式來取代部分空氣動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)。

其他領(lǐng)域中的空氣動(dòng)力學(xué)

除航空航天外，空氣動(dòng)力學(xué)在其他領(lǐng)域也有非常重要的應(yīng)用。在包括汽車在內(nèi)的所有交通工具的設(shè)計(jì)中，它都是一個(gè)很重要的因素。大型建筑物涉及到風(fēng)載荷，市內(nèi)空氣動(dòng)力學(xué)研究城市的微氣候環(huán)境，環(huán)境空氣動(dòng)力學(xué)研究大氣環(huán)流和飛行對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的影響。還有發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)所涉及的熱流和內(nèi)流也是空氣動(dòng)力學(xué)非常重要的一個(gè)方面。

連續(xù)性假設(shè)
氣體是由微觀上不斷作熱運(yùn)動(dòng)并相互碰撞的分子組成的。然而在空氣動(dòng)力學(xué)中，氣體被假定為連續(xù)的。這是因?yàn)闅怏w的各種性質(zhì)如密度、壓力、溫度以及速度在無(wú)限小的點(diǎn)上有很好的定義，而且從一點(diǎn)到另一點(diǎn)是連續(xù)變化的。氣體的離散性和原子性可以忽略不計(jì)，所以從宏觀上來講，氣體是可以被看成具有連續(xù)性的物質(zhì)。 當(dāng)然氣體非常稀薄時(shí)，連續(xù)性假設(shè)不再成立，此時(shí)采用統(tǒng)計(jì)力學(xué)研究是一種更好的選擇。

守恒定律
空氣動(dòng)力學(xué)問題的求解依賴于氣體在三個(gè)方面的守恒：
質(zhì)量守恒：只有在氣體的速度高至必須考慮相對(duì)論效應(yīng)時(shí)此定律才會(huì)失效。
動(dòng)量守恒：由牛頓第二定律推導(dǎo)可得。
能量守恒：在不考慮粘性時(shí)，即機(jī)械能守恒；在必須考慮粘性的情況下，即機(jī)械能和熱能的守恒。

附面層流動(dòng)
附面層（又叫邊界層）是一個(gè)非常重要的概念。1904年，德國(guó)著名科學(xué)家普朗特(Prandtl)首先提出邊界層的概念。它來源于這樣一個(gè)基本事實(shí)：通常情況下，空氣的粘性或摩擦作用只在靠近物體表面很薄的一個(gè)區(qū)域內(nèi)起主要作用，離開這個(gè)區(qū)域，粘性的影響急劇下降。我們稱這樣一個(gè)很小的區(qū)域?yàn)楦矫鎸樱ㄟ吔鐚樱?br />
邊界層概念的提出，使得許多以前難以求解的問題變得可以求解，因?yàn)槲覀冎恍枰诤苄〉囊粋€(gè)區(qū)域考慮粘性的影響，求解納維-斯托克斯方程。而在其他區(qū)域，只需要求解勢(shì)流或者求解描述無(wú)粘性流體運(yùn)動(dòng)的歐拉方程。眾所周知，勢(shì)流和歐拉方程的求解難度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于納維-斯托克斯方程。

亞音速空氣動(dòng)力學(xué)

亞音速空氣動(dòng)力學(xué)大量用于賽車和部分商用車設(shè)計(jì)

當(dāng)流體流動(dòng)速度小于音速時(shí)，我們稱之為亞音速流動(dòng)。更進(jìn)一步，當(dāng)馬赫數(shù)（即流體速度與音速之比）小于 0.3時(shí)，氣體的可壓縮性可以忽略不計(jì)。 20世紀(jì)初期，汽車比剛發(fā)明不久的飛機(jī)速度更快，更早超過時(shí)速兩百公里，當(dāng)時(shí)賽車的空氣力學(xué)比飛機(jī)進(jìn)步。

跨音速空氣動(dòng)力學(xué)

當(dāng)流體速度接近或略超過音速（即馬赫數(shù)約等于1時(shí)），我們稱之為跨音速流動(dòng)?？缫羲倭鲃?dòng)的典型特征是激波和膨脹波。在其區(qū)域內(nèi)，流體的各種性質(zhì)發(fā)生劇烈變化，幅度之大，以至于我們可以認(rèn)為通過激波的流體是不連續(xù)的。

跨音速流動(dòng)要比單純的亞音速和超音速都要復(fù)雜。

超音速空氣動(dòng)力學(xué)

超音速空氣動(dòng)力學(xué)研究當(dāng)流動(dòng)速度大于音速時(shí)的情況。比如計(jì)算協(xié)和飛機(jī)在巡航狀態(tài)下的升力就是一個(gè)超音速空氣動(dòng)力學(xué)問題。

超音速流動(dòng)和亞音速流動(dòng)有著顯著的不同。在亞音速時(shí)，壓力波動(dòng)可以從流場(chǎng)后方傳遞至前方，而在超音速時(shí)，壓力波動(dòng)則無(wú)法傳遞至上游。這樣，流體性質(zhì)的變化便被壓縮在一個(gè)極小的范圍內(nèi)，也就形成了所謂的激波。

激波會(huì)將大量的機(jī)械能轉(zhuǎn)化成熱能。伴隨著高粘性（參照雷諾數(shù)）流體的可壓縮特性，激波的出現(xiàn)，是亞音速和超音速空氣動(dòng)力學(xué)的基本區(qū)別。