空氣動(dòng)力學(xué)研究中面臨的挑戰(zhàn)與機(jī)遇

更新時(shí)間：2020-04-15 點(diǎn)擊次數(shù)：1689

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空氣動(dòng)力學(xué)是研究物體同氣體作相對(duì)運(yùn)動(dòng)情況下的受力特性、氣體流動(dòng)規(guī)律和伴隨發(fā)生的物理化學(xué)變化,在流體力學(xué)基礎(chǔ)上,隨著航空工業(yè)和噴氣推進(jìn)技術(shù)的發(fā)展而成長(zhǎng)起來的一個(gè)學(xué)科。空氣動(dòng)力學(xué)的發(fā)展對(duì)于航空航天飛行器的研制有著極為重要的意義,是航空航天重要的科學(xué)技術(shù)基礎(chǔ)之一,對(duì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、社會(huì)和諧都有著重要和用。在過去一段時(shí)間里,由于航空工業(yè)的相對(duì)成熟,關(guān)于航空領(lǐng)的研究更多的集中于如何通過改進(jìn)制造過程降低成本,而不再將主要力量投入新技術(shù)的研究,但隨著形勢(shì)的日益嚴(yán)峻、信息化程度的提高以及航空運(yùn)輸對(duì)安全性經(jīng)濟(jì)性的要求,航空技術(shù)研究面臨著更多更新的挑戰(zhàn),使得重新提高了對(duì)航空技術(shù)研究的關(guān)注程度。作為航空航天技術(shù)的重要基礎(chǔ)學(xué)科之一的空氣動(dòng)力學(xué),也面臨著全新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。

　　1 空氣動(dòng)力學(xué)研究意義和研究現(xiàn)狀
　　1.1 空氣動(dòng)力學(xué)研究意義
　　人們?cè)鐚?duì)空氣動(dòng)力學(xué)的研究可以追溯到人類對(duì)鳥或彈丸在飛行時(shí)的受力和力的作用方式的種種猜測(cè),但真正形成獨(dú)立學(xué)科是在20世紀(jì)航空事業(yè)的迅速發(fā)展之后,是在經(jīng)典流體力學(xué)中發(fā)展并形成的新的分支,并且迅速成為發(fā)展航空航天各類飛行器的重要基礎(chǔ)科學(xué)和關(guān)鍵技術(shù),推動(dòng)整個(gè)人類航空航天事業(yè)的發(fā)展,成為航空航天事業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)。如今,空氣動(dòng)力學(xué)已經(jīng)不再僅只是應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域,還被應(yīng)用于環(huán)境保護(hù)、公路交通、鐵路交通、冶金、建筑、體育等眾多領(lǐng)域,對(duì)整個(gè)人類社會(huì)的發(fā)展與進(jìn)步都有著極為深遠(yuǎn)的影響。
　　1.2 空氣動(dòng)力學(xué)研究現(xiàn)狀
　　在20世紀(jì)90年代,隨著航空工業(yè)的迅速發(fā)展,使得航空工業(yè)整體技術(shù)程度相對(duì)于其它行業(yè)都成熟許多,基于此種原因,在較長(zhǎng)一段時(shí)間里學(xué)界多認(rèn)為航空工業(yè)已經(jīng)走向成熟,尤其是空氣動(dòng)力技術(shù)基礎(chǔ)技術(shù)方面,因此航空工業(yè)的研究將更多的集中于成本費(fèi)用的降低,而減少了對(duì)應(yīng)用技術(shù)的研究重視程度,使得空氣動(dòng)力學(xué)的研究相對(duì)緩慢。進(jìn)入21世紀(jì)以后,隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、飛機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)等的發(fā)展,人們重新重視起了空氣力學(xué)的研究,使得空氣動(dòng)力學(xué)得到了較好的發(fā)展。如以Euler及Navier.Stokes方程為主要數(shù)學(xué)模型的整機(jī)及部件繞流流場(chǎng)和氣動(dòng)特性計(jì)算研究領(lǐng)域,在我國(guó)即得到了極大的發(fā)展,并被應(yīng)用于很多重點(diǎn)型號(hào)的研制中;再如飛機(jī)多外掛氣動(dòng)干擾特性研究、現(xiàn)代殲擊機(jī)大攻角過失速氣動(dòng)持性研究等,都取得了極大的進(jìn)展,在計(jì)算空氣動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域也取得了突出的成績(jī),很多研究成果處于先進(jìn)水平。
　　2 空氣動(dòng)力學(xué)研究所面臨的挑戰(zhàn)
　　傳統(tǒng)的認(rèn)為空氣動(dòng)力學(xué)已經(jīng)足以滿足航空航天需求的認(rèn)識(shí)很明顯是錯(cuò)誤的,隨著飛機(jī)一體化設(shè)計(jì)技術(shù)、微型飛行器、行星探測(cè)飛行器的發(fā)展,必然向空氣動(dòng)力學(xué)的研究提出新的挑戰(zhàn)。
　　3 先進(jìn)飛機(jī)器研制需求所帶來的挑戰(zhàn)
　　隨著航空交通事業(yè)的不斷發(fā)展,以及出于安全等方面的需要,對(duì)先進(jìn)飛行器的研制需求不斷提高。如高機(jī)動(dòng)性作戰(zhàn)飛機(jī)、可重復(fù)使用高超音速飛行器、大型民航機(jī)、大型運(yùn)輸機(jī)、地效飛行器、微型飛行器、智能飛行器、無人偵察機(jī)、應(yīng)用衛(wèi)星、概念武器等,都對(duì)空氣動(dòng)力學(xué)的研究提出了更多的挑戰(zhàn)性課題,需要空氣動(dòng)力學(xué)從復(fù)雜流場(chǎng)預(yù)測(cè)、噴流干擾、氣動(dòng)隱身、微流體力學(xué)、氣動(dòng)防熱、高超音速邊界湍流、低雷諾數(shù)流動(dòng)力學(xué)、地面效應(yīng)等多個(gè)方面進(jìn)行更深入的研究,而所有這些研究,都涉及高度非定常、線性,包括復(fù)雜的物理化學(xué)變化效應(yīng)的影響,難度極大。
　　例如,大容量運(yùn)輸機(jī)的研發(fā),首先需要解決大容量運(yùn)輸機(jī)高燃油效率、低噪聲、常規(guī)跑道起飛著陸能力的需要。在這里,雖然高燃油效率可以通過混合層流控制技術(shù)(HLFC)、發(fā)展新型發(fā)動(dòng)機(jī)、采用高效的氣動(dòng)設(shè)計(jì)方面來進(jìn)行滿足,但這些技術(shù)要應(yīng)用到大型飛機(jī)、高Re數(shù)情況卻還存在很多缺陷和不足。再如低噪聲的研究也是大型飛機(jī)所必須關(guān)注的問題,必須充分將聲學(xué)研究向氣動(dòng)研究結(jié)合在一起進(jìn)行。同時(shí),還必須考慮增升阻力、尾渦效應(yīng)、發(fā)動(dòng)機(jī)噴流和外流干擾效應(yīng)等。
　　3.1 自適應(yīng)流動(dòng)控制需要所帶來的挑戰(zhàn)
　　傳統(tǒng)空氣動(dòng)力學(xué)對(duì)繞復(fù)雜物體的流動(dòng),多集采用渦發(fā)生器、吸氣、吹氣、肋條等技術(shù)進(jìn)行模擬研究,但這種研究主要集中于流動(dòng)的被動(dòng)控制,隨著近年來電子技術(shù)、軟感技術(shù)、材料技術(shù)等的發(fā)展,傳統(tǒng)的集中于被動(dòng)控制的研究存在許多不足,必須對(duì)宏觀流動(dòng)和微觀流動(dòng)的主運(yùn)控制進(jìn)行更深入的研究,這對(duì)飛行器的未來發(fā)展有著極為重要的意義。只有提高自適應(yīng)流動(dòng)控制研究水平,才能提高自適應(yīng)流動(dòng)控制技術(shù),為飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供更為全面的飛行控制函數(shù),以有效減輕飛機(jī)重量和飛行能力。
　　自適應(yīng)流動(dòng)控制的研究主要包括減阻流動(dòng)控制、邊界層分離流動(dòng)控制、高升力流動(dòng)控制三個(gè)方面。具有感知能力的自適應(yīng)流控制技術(shù)對(duì)于去不穩(wěn)定性擾動(dòng)源的影響極為重要,是未來飛行器發(fā)展所需要解決的一項(xiàng)關(guān)鍵性技術(shù),對(duì)于簡(jiǎn)化吸氣裝置和相關(guān)系統(tǒng)都有著極為重要的意義。邊界層流分離流動(dòng)控制技術(shù)則駐地改善飛機(jī)氣動(dòng)性能有著重要意義,需要進(jìn)一步研究射流、湍流、目標(biāo)流場(chǎng)、近壁面壓力分布等方面的關(guān)系。高升力流動(dòng)控制技術(shù)對(duì)于飛行器增升裝置的研發(fā)有著重要意義,需要進(jìn)一步研究如何在不降低飛機(jī)性能的情況下減少飛機(jī)重量提高飛機(jī)增升能力。
　　3.2 噪聲控制需要所帶來的挑戰(zhàn)
　　噪聲控制是飛機(jī)設(shè)計(jì)所需要考慮的一個(gè)重要內(nèi)容,尤其是隨著航空對(duì)“安全性、經(jīng)濟(jì)性、舒適性和環(huán)保性”的要求的不斷提高,飛機(jī)噪聲問題被各界所廣泛關(guān)注。根據(jù)航空運(yùn)輸噪聲標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,飛機(jī)噪聲輻射在2017年要降低20EPNdB,而要在不影響氣動(dòng)性能和推力的情況下降低噪聲,就必須在技術(shù)上進(jìn)行巨大的革新,實(shí)際上現(xiàn)有相關(guān)技術(shù)都還極不成熟,要降低噪聲就必須進(jìn)一步對(duì)聲學(xué)、氣動(dòng)、推力系統(tǒng)、飛機(jī)結(jié)構(gòu)之關(guān)的關(guān)系進(jìn)行進(jìn)一步的研究。