關(guān)于現(xiàn)代空氣動力學基礎(chǔ)理論的思考

關(guān)于現(xiàn)代空氣動力學

基礎(chǔ)理論的思考

吳介之北京大學力學與空天技術(shù)系湍流與復雜系統(tǒng)國家重點實驗室

2006.5關(guān)于現(xiàn)代空氣動力學基礎(chǔ)理論的思考共40頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第1頁!基礎(chǔ)空氣動力學（含內(nèi)、外流以及水動力學）的任務是發(fā)展理論方法、實驗技術(shù)和計算手段，為應用空氣動力學研發(fā)各種氣動構(gòu)形（含內(nèi)、外流以及水動力學構(gòu)形）、提高它們的性能服務。這里就基礎(chǔ)空氣動力學理論的發(fā)展問題談幾點淺見，向大家請教。這些思考是近年來撰寫論文和與審稿人的爭論中逐步形成的。關(guān)于現(xiàn)代空氣動力學基礎(chǔ)理論的思考共40頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第2頁!內(nèi)容空氣動力學與流體力學經(jīng)典空氣動力學的理論戰(zhàn)略現(xiàn)代空氣動力學的理論戰(zhàn)略結(jié)語關(guān)于現(xiàn)代空氣動力學基礎(chǔ)理論的思考共40頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第3頁!在西方，代著作以Lamb的Hydrodynamics（1879－1932）為代表，重點處理無粘不可壓勢流，加上Helmholtz（1858;英譯本：1868）和Kelvin（1869）的渦與環(huán)量的理論。隨后，有了處理壓縮性效應的無粘無旋氣體動力學，包括一維無粘可壓縮等熵流理論、二維（軸對稱）雙曲型方程特征線理論和無粘激波理論，反映在Liepmann&Roshko的ElementsofGasDynamics(1957)等著作之中。關(guān)于現(xiàn)代空氣動力學基礎(chǔ)理論的思考共40頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第4頁!可否這樣估計：第三代著作將處理粘性可壓縮有旋流，其理論基礎(chǔ)應當是脹壓過程和剪切過程的分解與耦合。內(nèi)流中壓力波（聲波、激波）與渦量波在流場內(nèi)部和固壁上的閉環(huán)耦合是個典型例子（王明皓）。這種耦合在火箭發(fā)動機燃燒穩(wěn)定性中有重要應用。關(guān)于現(xiàn)代空氣動力學基礎(chǔ)理論的思考共40頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第5頁!Nonlinearinstabilitytheoryprediction(Flandro2006)關(guān)于現(xiàn)代空氣動力學基礎(chǔ)理論的思考共40頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第6頁!2、經(jīng)典空氣動力學的理論戰(zhàn)略CFD和PIV之前的空氣動力學可稱為經(jīng)典空氣動力學。理論發(fā)展的唯一戰(zhàn)略是建立盡可能簡化的數(shù)學模型并求出解析解－理論?；ㄍV）的近似理論。最了不起的理論模化范例是100年前的環(huán)量理論。關(guān)于現(xiàn)代空氣動力學基礎(chǔ)理論的思考共40頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第7頁!Kutta和Joukowski居然鉆了二維繞固體的勢流場為多連通域這個空子，在勢流中引入不確定的環(huán)量并證明它正比于升力，再用一個條件使環(huán)量唯一確定，從而建立了有清晰物理解釋的翼型理論（倘若他們一開始就研究三維機翼，又將如何？）。Lanchester和Prandtl居然能僅僅根據(jù)Helmholtz渦定理和Kelvin環(huán)量定理，構(gòu)思出三維機翼產(chǎn)生的整個渦系并把Kutta-Joukowski二維理論嵌入三維升力線理論之中，得出最小誘導阻力機翼的平面形狀，而無需求解三維流體運動方程。關(guān)于現(xiàn)代空氣動力學基礎(chǔ)理論的思考共40頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第8頁!Prandtl依靠對近壁流動的物理洞察力得到邊界層理論，使人們能對環(huán)量、摩阻、全部定常機翼渦系、因而全部升、阻力的來源作出統(tǒng)一的解釋。vonKarman繼承了低速空氣動力學理論?；膫鹘y(tǒng)，主導了高速內(nèi)外流空氣動力學的誕生，它的流體力學理論基礎(chǔ)全在Liepmann&Roshko的書中。關(guān)于現(xiàn)代空氣動力學基礎(chǔ)理論的思考共40頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第9頁!有一種廣為接受的觀念：空氣動力學的基礎(chǔ)理論業(yè)已成熟，沒什么可發(fā)展的了。如果這指的是經(jīng)典空氣動力學，那是對的。人們停頓在無粘附著流小擾動理論和邊界層理論的簡單迭加這種框架中已達半個世紀。這種停頓是歷史的必然。隨著CFD的發(fā)展，很多5、60年代時髦的解析解已如過眼煙云，只剩下歷史價值。然而，如果這種觀念指的是整個空氣動力學（定常、尤其是非定常），那是錯的。分離流空氣動力學迄今尚未完成。本質(zhì)的困難在于渦運動的高度非線性。關(guān)于現(xiàn)代空氣動力學基礎(chǔ)理論的思考共40頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第10頁!60年代以來，人們對流體運動的豐富形態(tài)，如定常與非定常分離、激波－邊界層干擾、分離流、流動穩(wěn)定性、渦破裂、轉(zhuǎn)捩、湍流等等的認識都大大深化了。流體力學基礎(chǔ)領(lǐng)域出現(xiàn)了一系列闡明復雜物理現(xiàn)象的重要理論成果。但是，由于這些運動高度的復雜性和非線性，在經(jīng)典戰(zhàn)略的框架內(nèi)，流體力學的成果在分離流空氣動力學中不可能得到完整的理論反映?；A(chǔ)空氣動力學家不得不回到基礎(chǔ)流體力學，逐一掌握大量有關(guān)復雜流動的知識，再用來發(fā)展新的氣動構(gòu)形并優(yōu)化其性能。關(guān)于現(xiàn)代空氣動力學基礎(chǔ)理論的思考共40頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第11頁!3、現(xiàn)代空氣動力學的理論戰(zhàn)略對于高度非定常、非線性、非附著流，理論方法不可能產(chǎn)生代空氣動力學那種近似有效的解析解。在CFD和PIV時代，至少在原則上可以得到全流場信息，也沒必要刻意尋找那種解析解。關(guān)于現(xiàn)代空氣動力學基礎(chǔ)理論的思考共40頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第12頁!然而，不能因此就認為，現(xiàn)代空氣動力學只需要兩頭：一頭是基本方程，另一頭是現(xiàn)代實驗測量和大規(guī)模計算得到的海量數(shù)據(jù)。兩頭之間其實有巨大空白，仍只有理論能夠填補?？諝鈩恿W從來不等于基本方程和流場數(shù)據(jù)的簡單組合。現(xiàn)在，人們至少在以下方面迫切需要理論的指導：關(guān)于現(xiàn)代空氣動力學基礎(chǔ)理論的思考共40頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第13頁!現(xiàn)代空氣動力學應當也能夠發(fā)展精確的理論來研發(fā)和優(yōu)化新的氣動構(gòu)形?？諝鈩恿W從經(jīng)典向現(xiàn)代的發(fā)展，要求理論結(jié)構(gòu)和特色的轉(zhuǎn)型：跳出小擾動的限制，拋棄尋找解析解的不可能任務，轉(zhuǎn)入提供最具物理洞察力的、針對所需氣動性能的、解讀數(shù)據(jù)的精確理論（整體和局部），而把求解流場的任務交給CFD和實驗。當然，經(jīng)典戰(zhàn)略在若干情況下仍然很有用，任何可以做理論?；臋C會都不應放過（田方寶）。解讀數(shù)據(jù)的精確理論在現(xiàn)代流體力學各基礎(chǔ)研究領(lǐng)域（如穩(wěn)定性、轉(zhuǎn)捩、湍流、控制）已經(jīng)成為主流。關(guān)于現(xiàn)代空氣動力學基礎(chǔ)理論的思考共40頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第14頁!此后1/4個世紀，在渦量矩理論的啟發(fā)帶動下，陸續(xù)出現(xiàn)了另一些形式的、用渦量表述的空氣動力學理論，例如邊界渦量流理論、有限域渦量矩理論、一般導數(shù)矩理論（陸夕云、楊延濤）、投影理論，等等，渦量矩理論本身也得到檢驗和提煉（吳鎮(zhèn)遠）。這些理論相互包容，相互補充，從渦量場演化的不同側(cè)面展現(xiàn)了外流空氣動力的同一物理來源，各有自己方便的應用。有限域渦量矩理論（Nocaetal.1999）由于能用PIV數(shù)據(jù)推算合力，引發(fā)了一系列論文（上述第三項任務）。關(guān)于現(xiàn)代空氣動力學基礎(chǔ)理論的思考共40頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第15頁!關(guān)于現(xiàn)代空氣動力學基礎(chǔ)理論的思考共40頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第16頁!關(guān)于現(xiàn)代空氣動力學基礎(chǔ)理論的思考共40頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第17頁!吳錘結(jié)小組的三維魚游尾流模擬

（用Jeong&

Hussain判據(jù)顯示）關(guān)于現(xiàn)代空氣動力學基礎(chǔ)理論的思考共40頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第18頁!一個全機標模非定常可壓縮分離流在M=0.5的Lattice-Boltzmann數(shù)值模擬（北大）關(guān)于現(xiàn)代空氣動力學基礎(chǔ)理論的思考共40頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第19頁!關(guān)于現(xiàn)代空氣動力學基礎(chǔ)理論的思考共40頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第20頁!4、結(jié)語三屆渦動力學研討會，對我國空氣動力學基礎(chǔ)理論的發(fā)展、檢驗和應用，起了獨特的促進作用。我們的某些基礎(chǔ)理論和應用基礎(chǔ)研究處于國際前列，堅持做下去會形成有自己特色的學派，對整個現(xiàn)代空氣動力學的更新?lián)Q代會有所貢獻。就外流而言，比較薄弱的是復雜構(gòu)形的高精度計算能力和配套的實驗能力。這兩條腿跟不上，解讀數(shù)據(jù)的理論得不到檢驗和廣泛應用，也不可能被承認。關(guān)于現(xiàn)代空氣動力學基礎(chǔ)理論的思考共40頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第21頁!1、空氣動力學與流體力學作為流體力學的一個應用分支，每個時代的空氣動力學、尤其是其基礎(chǔ)理論的發(fā)展，都推動當時流體力學的理論發(fā)展，又反過來建立在其成就之上。每個時代流體力學的理論局限也必然是該時代空氣動力學的理論局限。近代流體力學經(jīng)歷的幾次主要發(fā)展都集中表現(xiàn)于每個時代的代表著作中。關(guān)于現(xiàn)代空氣動力學基礎(chǔ)理論的思考共40頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第22頁!第二代著作以Batchelor的AnIntroductiontoFluidDynamics(1967)為代表，它與Lamb和Liepmann-Roshko不同，集中處理粘性不可壓有旋流。這兩個方面，就是我們常說的脹壓和剪切兩個流體運動基本過程。湍流問題還沒有解決，有很多佳作，但選不出一本最權(quán)威的代表作。關(guān)于現(xiàn)代空氣動力學基礎(chǔ)理論的思考共40頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第23頁!Experimentonbustioninstabilityinrocketmotor(fromFlandro2006)關(guān)于現(xiàn)代空氣動力學基礎(chǔ)理論的思考共40頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第24頁!顯然是剪切和脹壓過程的耦合效應關(guān)于現(xiàn)代空氣動力學基礎(chǔ)理論的思考共40頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第25頁!低速空氣動力學賴以形成的理論全在Lamb的書中。內(nèi)流依靠的無非是一維無粘管流的不可壓Bernoulli方程。外流則在20年（1894－1914）內(nèi)作出了令人眼花繚亂的奇跡（”dazzlingdevelopments”,J.C.Wu2005）。這20年的飛躍發(fā)展是后來再也沒有過的。關(guān)于現(xiàn)代空氣動力學基礎(chǔ)理論的思考共40頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第26頁!關(guān)于現(xiàn)代空氣動力學基礎(chǔ)理論的思考共40頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第27頁!經(jīng)典理論模化戰(zhàn)略的主要適用范圍：流線形物體的無粘附著流加邊界層修正；定常或小振幅周期流；線性近似＋少量弱非線性攝動。這樣得到的氣動構(gòu)形是代航空流型：附著流型（Kuchemann1978）。成功的理論模化來自對流動機理的深刻洞察。基于不正確物理理解的理論?；狈ιΓㄈ鏗elmholtz-Kirchhoff用定常自由流線理論解釋阻力）。關(guān)于現(xiàn)代空氣動力學基礎(chǔ)理論的思考共40頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第28頁!關(guān)于現(xiàn)代空氣動力學基礎(chǔ)理論的思考共40頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第29頁!上述狀況提出了一個根本性的問題：現(xiàn)代空氣動力學基礎(chǔ)理論需要干什么？能干什么？向何處去？下面，試圖對這些問題作些探討，希望引起討論。關(guān)于現(xiàn)代空氣動力學基礎(chǔ)理論的思考共40頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第30頁!關(guān)于現(xiàn)代空氣動力學基礎(chǔ)理論的思考共40頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第31頁!給出嚴格、精確、廣泛適用的氣動力性能表達式，它們能直指性能的物理根源，并作為導出各種近似公式的基礎(chǔ)。在海量數(shù)據(jù)中提取出對構(gòu)形氣動力性能有直接貢獻的流動結(jié)構(gòu)，獲得深刻的物理認識，如同經(jīng)典理論中的環(huán)量和渦系那樣，并反過來指導氣動力性能的改進、優(yōu)化和控制；為用實驗測量得出構(gòu)形氣動力性能所需要的高精度、高可行性方法（包括指導實驗手段本身的發(fā)展）提供理論基礎(chǔ)。關(guān)于現(xiàn)代空氣動力學基礎(chǔ)理論的思考共40頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第32頁!就積分氣動性能而言，低速（或不可壓）空氣動力學、包括生物外流力學的轉(zhuǎn)型，始于吳鎮(zhèn)遠（1981）的渦量矩理論。它適用于推出任何剛性或變形物體（包括另一種流體，甚至同一種流體的一個物質(zhì)團，如一個孤立的渦環(huán)）在不可壓流體中作任意運動或變形時所受的力和力矩，同時揭示出這些力和力矩只依賴于物體運動產(chǎn)生的渦量場的一階及二階矩的變化率，其中尤其包括物體加速運動引起的表觀質(zhì)量力，它歷來被認為是純勢流效應。經(jīng)典空氣動力學理論是渦量矩理論在簡化的近似假設下的直接特例。一般情況下，應用這些理論需要知道渦量場的運動。除簡化情況外，這種知識靠計算或?qū)嶒炋峁?。關(guān)于現(xiàn)代空氣動力學基礎(chǔ)理論的思考共40頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第33頁!關(guān)于現(xiàn)代空氣動力學基礎(chǔ)理論的思考共40頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第34頁!關(guān)于現(xiàn)代空氣動力學基礎(chǔ)理論的思考共40頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第35頁!借用吳鎮(zhèn)遠的命名，這些理論的有機結(jié)合可稱為渦量空氣動力學。這套理論的出現(xiàn)及其在各種問題中的初步應用，標志著低速空氣動力學突破了傳統(tǒng)的定常附著流小擾動理論框架，預示著現(xiàn)代空氣動力學理論基礎(chǔ)的統(tǒng)一雛形正在形成。將在研究復雜構(gòu)形非定常分離流和發(fā)展優(yōu)化構(gòu)形中起指導作用。關(guān)于現(xiàn)代空氣動力學基礎(chǔ)理論的思考共40頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第36頁!高速空氣動力學也有理論轉(zhuǎn)型的任務，以精確給出物理意義最清晰的氣動力性能理論為目的。應當以粘性可壓縮有旋流體力學為基礎(chǔ)，核心問題是兩個基本流體動力學過程的分解與耦合。考慮到超高速飛行中的傳質(zhì)、傳熱、化學反應、多相、稀薄、微尺度等效應，還要研究流體運動過程與非平衡熱力學過程和化學反應過程的分解與耦合。事實上，上述渦量空氣動力學理論的不同表述中，