工業(yè)空氣動力學(xué)

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空氣動力學(xué)同氣象學(xué)、氣候?qū)W、結(jié)構(gòu)動力學(xué)、建筑工程等相互滲透而形成的一門新興學(xué)科,主要研究在大氣邊界層中風(fēng)與人類活動及其勞動產(chǎn)物間的相互作用規(guī)律。工業(yè)空氣動力學(xué)一詞最早見于20世紀(jì)60年代初,迄今仍在歐洲使用。在美國和其他一些地區(qū)自70年代起已逐漸被“風(fēng)力工程”一詞取代。
中文名
工業(yè)空氣動力學(xué)

工業(yè)空氣動力學(xué)簡介

一般來說,空氣動力學(xué)主要航空,用于特別是航空器(飛機,導(dǎo)彈,飛艇等)的外形設(shè)計,如何提高升力,減小阻力,如何取得優(yōu)良的操縱性,穩(wěn)定性等。
工業(yè)空氣動力學(xué),就是地面上的空氣動力學(xué),比如汽車拿到風(fēng)洞里吹風(fēng),可以觀察汽車周圍的氣流形態(tài),然後設(shè)計改形,阻力減小來節(jié)省汽油,減少噪音。大城市的建筑群布局不合理,樓間會形成很強的風(fēng)場,在北京的大風(fēng)天尤為如此,橋梁也面臨類似的問題,特別是氣流的波動頻率和建筑物的固有振動頻率相近,就會使建筑物強烈振動,比如水泥鋼筋的橋梁,就會被看不見摸得著的風(fēng)兒給吹折了。
空氣動力學(xué)同氣象學(xué)、氣候?qū)W、結(jié)構(gòu)動力學(xué)、建筑工程等相互滲透而形成的一門新興學(xué)科,主要研究在大氣邊界層中風(fēng)與人類活動及其勞動產(chǎn)物間的相互作用規(guī)律。工業(yè)空氣動力學(xué)一詞最早見于20世紀(jì)60年代初,迄今仍在歐洲使用。在美國和其他一些地區(qū)自70年代起已逐漸被“風(fēng)力工程”一詞取代。

工業(yè)空氣動力學(xué)研究內(nèi)容

工業(yè)空氣動力學(xué)的研究內(nèi)容目前主要有下述八個方面:

工業(yè)空氣動力學(xué)① 風(fēng)在大氣邊界層內(nèi)的特性

緊靠地球表面300~1000米范圍內(nèi)的空氣層稱為大氣邊界層。在此層內(nèi),由于湍流的作用,地面摩擦阻力的影響得以向上傳遞,這種影響直到邊界層外緣的自由大氣處方可忽略。從空氣動力學(xué)的角度看,大氣邊界層氣體流動(即風(fēng))的特點是:平均風(fēng)速隨離地面高度的增加而增大,風(fēng)向逐漸偏轉(zhuǎn),溫度隨高度變化,氣流的湍流度可達(dá)20%,因而必須考慮其湍流結(jié)構(gòu)。這些特性在近地面的 100米內(nèi)比較清楚,在外層則須進(jìn)一步研究。至于臺風(fēng)、龍卷風(fēng)、低空急流和雷暴等的特性則了解得較少。

工業(yè)空氣動力學(xué)② 風(fēng)對建筑物和構(gòu)筑物的作用

這是工業(yè)空氣動力學(xué)最早的研究內(nèi)容。其中包括風(fēng)對房屋、橋梁、煙囪、電視塔、空中電纜、雷達(dá)天線、冷卻塔和廣告牌等的作用,如平均風(fēng)載荷、脈動風(fēng)載荷、風(fēng)振、通風(fēng)和熱損失等。風(fēng)振是由于來流中的湍流脈動或脫體旋渦下曳或馳振等引起的。物體的振動又反過來影響風(fēng)的作用力。結(jié)構(gòu)的正確設(shè)計須考慮在不同情況下這些靜載荷和動載荷以及它們相互的作用,并研究如何采取措施防止發(fā)生共振。此外,確定果園、森林等的種植布置方式以避免風(fēng)害,也是這方面研究的課題。

工業(yè)空氣動力學(xué)③ 建筑或建筑群所誘致的局部風(fēng)場

這項研究的目的是使環(huán)境的布置更能滿足人們的需要,也為建筑物頂部或附近是否適合建立直升飛機場提供依據(jù)。此外,還探討改變或控制風(fēng)場的措施。

工業(yè)空氣動力學(xué)④ 風(fēng)引起的質(zhì)量遷移

(這包括氣體、液體或固體)的遷移、大氣污染物的排放、擴散和彌散規(guī)律,它們同污染濃度的預(yù)測和環(huán)境質(zhì)量的評價有密切關(guān)系。掌握這些規(guī)律就能采取措施減輕環(huán)境污染。這需要人們對于在不同的氣象和不同的地形地貌(特別是復(fù)雜的城市環(huán)境、高樓夾道和山區(qū)等處)條件下的大氣湍流擴散規(guī)律進(jìn)行研究。另外,防止沙漠的遷移,雪在公路、建筑物附近的堆積和種子的傳播等,也都是重要的研究課題。

工業(yè)空氣動力學(xué)⑤ 風(fēng)對運輸系統(tǒng)的作用

如汽車、火車等氣動特性和減阻等。在車輛高速行駛時,空氣阻力可占總阻力50%以上,阻力的大小不僅同車身外形有關(guān),也同冷卻水箱的設(shè)計、空氣在車架下方的流動有關(guān)。此外,車輛所受舉力,轉(zhuǎn)彎和剎車性能,高速火車在受到側(cè)風(fēng)和通過隧道以及會車(在一米以內(nèi))時的氣流問題,船舶水上部分的氣動性能等,也都是研究的對象。(見車輛空氣動力學(xué)

工業(yè)空氣動力學(xué)⑥ 風(fēng)能資源的利用

風(fēng)是一種清潔的可更新能源。幾千年來人們一直利用風(fēng)帆行舟和風(fēng)車提水。當(dāng)前能源緊張,開發(fā)風(fēng)能更有現(xiàn)實意義。研究用于發(fā)電或提水的不同類型的風(fēng)輪機的氣動特性(見風(fēng)能利用),包括由風(fēng)引起的輪機和塔架的振動,都是重要的研究課題。

工業(yè)空氣動力學(xué)⑦ 風(fēng)對社會和經(jīng)濟(jì)的影響

近年來有的國家由于風(fēng)災(zāi)造成的損失每年高達(dá)五億美元,而且數(shù)字還在增大。人們對風(fēng)振和風(fēng)引起的噪聲的不安全感,大氣污染和能源的利用等問題對社會、經(jīng)濟(jì)、心理、生理等的影響都需要進(jìn)行綜合考慮,其中還包括制定法律和規(guī)定制度等。

工業(yè)空氣動力學(xué)⑧ 其他

指一些未成熟和未發(fā)展成為專門的學(xué)科分支的項目,如體育運動中的一些空氣動力學(xué)問題的研究等。

工業(yè)空氣動力學(xué)研究方法

大致可分為現(xiàn)場觀測、實驗室模擬和理論分析(包括數(shù)值計算)三種。目前還難于直接從納維-斯托克斯方程和相應(yīng)的邊界條件、初始條件出發(fā)求解析解或數(shù)值解,困難主要在于如何建立剪切湍流(見湍流理論)的數(shù)學(xué)模型。但這種理論分析即使還不能得到實用的結(jié)果,也有助于對流動現(xiàn)象及其機理的理解。現(xiàn)場的全尺寸實測是最基本的科學(xué)實驗,是檢驗實驗室模擬和理論分析的基礎(chǔ),但實測條件難以控制,所需的人力、物力和財力較大,歷時較久。所以,目前工業(yè)空氣動力學(xué)問題的研究主要靠實驗室模擬,特別是利用風(fēng)洞。為使實驗室模擬所得到的結(jié)果能符合實際,兩者必須滿足幾何相似和動力、熱力相似,即要求它們具有相同的相似參數(shù),如雷諾數(shù)、理查孫數(shù)(見環(huán)境空氣動力學(xué))、羅斯比數(shù)(見地球流體力學(xué))等;但首先須使模擬的氣流是大氣邊界層氣流。為此,人們建造了具有溫度層結(jié)的長實驗段“大氣邊界層風(fēng)洞”,或者用人工加速形成邊界層,使原供航空設(shè)計用的短實驗段風(fēng)洞獲得新的應(yīng)用。此外,也可利用密度分層(如不同鹽度)的水槽來模擬溫度層結(jié)。在模擬實驗中風(fēng)向偏轉(zhuǎn)模擬問題尚未解決,臺風(fēng)和龍卷風(fēng)的模擬則剛剛開始,很多模擬和測量技術(shù)有待進(jìn)一步完善。