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1、空气动力学空气动力学，是流体力学的一个分支,主要研究物体在空气或其它气体中运动时而产生 各种力。空气动力学为流体力学在工程上的应用力学，特别讨论在马赫数大于0.3的流 场情形。空气动力学因为讨论的状况接近真实流体，考虑了真实流体 黏滞性、可压缩 性、三维运动等特点，所以得到的计算方程式比较复杂，通常为非线性的偏微 分方程式形式。这种方程在绝大多数的情况下都难以求得解析解的，加之早期 计算技术还比较落后，所以当时大多是以实验的方式来求得所需的数据。随着计算机技术的迅速发展，使用计算机进行大量数值运算来求解空气动力学 方程式成为可能。利用数值法以及计算流体力学方法，可以求出非线性偏微分 方程的数值
2、解，得到所需要的各种数据，从而省去了大量的实验成本。由于数 学模型的不断完善以及计算机计算能力的不断提高，现在已经可以采用电脑模 拟流场的方式来取代部分空气动力学实验。其他领域中的空气动力学除航空航天外，空气动力学在其他领域也有非常重要的应用。在包括汽车在内的所有交 通工具的设计中，它都是一个很重要的因素。大型建筑物设计到风载荷，市内空气动力 学研究城市的微气候环境，环境空气动力学研究大气环流和飞行对生态系统的影响。还 有引擎设计所涉及的热流和内流也是空气动力学非常重要的一个方面。连续性假设气体是由微观上不断作热运动并相互碰撞的分子组成的。然而在空气动力学中，气体被 假定为连续的。这是因为气体
3、的各种性质如密度、压力、温度以及速度在无限小的点上 有很好的定义，而且从一点到另一点是连续变化的。气体的离散性和原子性可以忽略不 计，所以从宏观上来讲，气体是可以被看成具有连续性的物质。当然气体非常稀薄时， 连续性假设不再成立，此时采用统计力学研究是一种更好的选择。守恒定律空气动力学问题的求解依赖于气体在三个方面的守恒：质量守恒：只有在气体的速度高至必须考虑相对论效应时此定律才会失效。动量守恒：由牛顿第二定律推导可得。能量守恒：在不考虑粘性时，即机械能守恒；在必须考虑粘性的情况下，即机 械能和热能的守恒。附面层流动附面层（又叫边界层）是一个非常重要的概念。1904年,德国著名科学家普朗特（Pr
4、and tl） 首先提出边界层的概念。它来源于这样一个基本事实:通常情况下，空气的粘性或摩擦 作用只在靠近物体表面很薄的一个区域内起主要作用，离开这个区域，粘性的影响急剧 下降。我们称这样一个很小的区域为附面层（边界层）。边界层概念的提出，使得许多以前难以求解的问题变得可以求解，因为我们只需要在很 小的一个区域考虑粘性的影响，求解纳维-斯托克斯方程。而在其他区域，只需要求解 势流或者求解描述无粘性流体运动的欧拉方程。众所周知，势流和欧拉方程的求解难度 远远低于纳维-斯托克斯方程。亚音速空气动力学亚音速空气动力学大量用于赛车和部分商用车设计 当流体流动速度小于音速时，我们称之为亚音速流动。更进一
5、步,马赫数（即流体速 度与音速之比）小于0.3时，气体的可压缩性可以忽略不计。跨音速空气动力学当流体速度接近或略超过音速（即马赫数约等于1时），我们称之为跨音速流动。跨音 速流动的典型特征是激波和膨胀波。在其区域内，流体的各种性质发生剧烈变化，幅度 之大，以至于我们可以认为通过激波的流体是不连续的。跨音速流动要比单纯的亚音速和超音速都要复杂。超音速空气动力学超音速空气动力学研究当流动速度大于音速时的情况。比如计算协和飞机在巡航状态下 的升力就是一个超音速空气动力学问题。超音速流动和亚音速流动有着显著的不同。在亚音速时，压力波动可以从流场后方传递 至前方，而在超音速时，压力波动则无法传递至上游。
6、这样，流体性质的变化便被压缩 在一个极小的范围内，也就形成了所谓的激波。激波会将大量的机械能转化成热能。伴随着高粘性（参 雷诺数）流体的可压缩特性, 激波的出现，是亚音速和超音速空气动力学的基本区别。风的形成乃是空气流动的结果。风能利用形成主要是将大气运动时所具有 的动能转化为其他形式的能。 风就是水平运动的空气，空气产生运动，主要是由于地球上各纬度所接受的太阳 辐射强度不同而形成的。在赤道和低纬度地区，太阳高度角大，日照时间长，太 阳辐射强度强，地面和大气接受的热量多、温度较高；再高纬度地区太阳高度角 小，日照时间短，地面和大气接受的热量小，温度低。这种高纬度与低纬度之间 的温度差异，形成了
7、南北之间的气压梯度，使空气作水平运动，风应沿水平气压 梯度方向吹，即垂直与等压线从高压向低压吹。 地球在自转，使空气水平运动发生偏向的力，称为地转偏向力，这种力使北半球 气流向右偏转，南半球向右偏转，所以地球大气运动除受气压梯度力外，还要受 地转偏向里的影响。大气真实运动是这两力综合影响的结果。 实际上，地面风不仅受这两个力的支配，而且在很大程度上受海洋、地形的影响， 山隘和海峡能改变气流运动的方向，还能使风速增大，而丘陵、山地却磨擦大使 风速减少，孤立山峰却因海拔高使风速增大。因此，风向和风速的时空分布较为 复杂。陆地上的海洋上的水被太阳蒸发到空中，遇到冷空气凝结，就会下雨 风：由于纬度、经
8、度差异，太阳照射使得地表热量分布不均，从而发生空气流动， 就形成了风。雨：蒸发的水蒸气在液化后空气中聚集，形成凝结核，逐渐增大，当到达一定程 度时就会形成雨落。雷电：由于云层相互摩擦、碰撞而使不同的云层带不同的电，当电压达到可以穿 过空气的程度以后，临近的两片云层会发生放电现象，产生电花和巨大的响声。风雨雷电的形成一、风雨成因的现代解释对于风的成因，目前一般解释为，一是由于太阳加热地面导致的空气热对流；再就是由 于温度高的气体膨胀，密度小，温度低的气体收缩，密度大，这样在冷空气和暖空气之间会 出现水平气压梯度力，在水平气压梯度力的作用下，气压高的冷空气就会向气压低的暖空气 中流动，于是就形成了
9、风.此外，还有地球自转以及天体引潮力的影响等.然而，这样的机制似乎只能解释一些平稳、微弱的小风、微风，不能解释台风、龙卷风、 飓风、飑风等等之类的强风.一方面，台风、龙卷风的涡旋特征难以用“气压梯度力”或“热对 流”加以说明，另一方面，它的猛烈程度、巨大的风速以及所谓飑风的爆发性，都难以用“气 压梯度力”和“热对流”加以说明.如“对强台风，海洋上最大风速一般可达6070米/秒，曾 经观测到最大风速为110米/秒的台风.”1不言而喻，“热对流”和“水平气压梯度力”都不足 以产生这样的强风.因为人所共知，水即使被加热到100C,也只是表现为并不太剧烈的沸 腾而已；空气被加热时如烟囱中冒出的烟，虽然
10、被数百度乃至上千度的高温烘烤着，其运动 速度往往也并不很剧烈.更不用说因太阳辐射导致的低层大气温度常常只有数十度，温差也 并不很大，更不足以引起类似飓风、台风、飑风这样十分猛烈的强风.对于雨、雪的成因，现代科学解释为：雨雪是由海洋、江河湖泊中的水受太阳照射蒸发， 进入大气，由于太阳加热地面导致空气对流上升，含有水蒸汽的空气进入高空遇冷而重新凝 结为云，云粒子又发生碰并增长等过程而形成雨雪.但是，这样的理论用来解释平缓的小雨也遇到了巨大的困难，更无法解释暴雨、巨大冰 雹等特殊气象现象.首先面临的问题是：在炎炎烈日下和干燥、赤热的空气中，被蒸发的水分是否能够长时 间地以水分子的形态存在？因为被蒸发
11、的水并非径直走到高空就立即遇冷凝结为水，而是要 经历很长时间的，强烈的阳光和宇宙射线能使空气发生电离，同样也能使水分子发生离解和 电离.被蒸发的水分子在干燥、赤热的空气中漂浮数天、数十天以后还有多少能以水分子形 态存在，是一个严重问题.显而易见的是，被蒸发的水分子在大气中的运动路径上遇到的太阳光子“炮弹”的轰击是 十分密集的，尤其在夏季太阳直射时更是如此.也许用不了很长距离，就会有很大一部分水 分子被离解为氧原子和氢原子，一部分被电离为氧离子和氢离子一来自太阳的高能光子和 其它高能粒子足以使水分子分崩离析、土崩瓦解.水蒸汽在大气中运动的距离越长，这种情 况就会越多发生.“潮湿空气对流上升冷凝成
12、雨说”面临的第二个困难问题是：根据热带地区观测，有些雷 雨云为暖云.“理论无法解释在自然界中经常发生的暖云降水过程.”你说是冷凝成雨，可偏 偏暖云也能下雨.于是学者们便不得不去寻找一些新的理论来解释暖云降雨.再者，人们早已注意到，“云滴从大气凝结核上形成，并长大成雨滴是一个十分艰巨的 过程.以对流云为例，它的云滴半径一般为10pm，若大气凝结核的大小以0.1pm计算， 则从一个凝结核上成长为云滴时，它的体积要增加一百万倍.对流云降水其雨滴半径一般为 1000pm .以此计算，则一个云滴长大成为雨滴时，其体积又要增加一百万倍.对于开始的 凝结核而言，则是增加到1012倍（万亿倍）.而在大气中这过
13、程又是在很短时间内完成的 （对流云降水性质为阵雨）.因此，这确实是一个十分惊人的快速过程.认为是潮湿空气对流上升成云的观点尤其不能解释暴雨、大暴雨的发生机制一那些数 小时甚至一小时就下了数百乃至上千毫米的豪雨、“倾盆大雨”、“瓢泼大雨”，需要有体积多 么庞大的“潮湿空气”以多么快的速率上升并凝结啊！而且这需要天空有一个效率多么高的“制 冷机”啊！否则潮湿空气是无法快速冷凝成雨的.而在降雨过程中，尤其在瓢泼式的降雨过 程中，高度密集的雨滴会使空气上升受到巨大阻力，使空气难以快速上升.何况地面上又一 时哪里来那么多潮湿空气呢？如果是从海洋上空输送而来的,那又需要多么高的输运速率 呢？而潮湿空气又何
14、不在海洋上空就凝结成雨呢？何况，实验研究证明，“水均质成核需要过饱和度达320%，而实际大气中过饱和度很 少达到1%. ”这是多么巨大的悬殊！虽然人们不得不把“水汽凝结”勉强解释为“大气中总是存 在相当数量的凝结核”，但原则上”也必须“要有足够高的水汽过饱和度”.可惜实际大气却满 足不了这样高的水汽过饱和度.人们也早已注意到，“只靠气柱内的水汽上升凝结并全部降落也不足以造成一场特大暴 雨.以1975年8月河南林庄大暴雨为例，林庄附近当日气柱中的可降水量为80毫米，而 24小时雨量为1060毫米，后者为前者的13.3倍.又如1981年7月四川大暴雨期间，成 都龙泉驿站24小时雨量314毫米，而大
15、气中的可降水量只不过70毫米（13日），前者为 后者的4.5倍.所以，截至目前为止，暴雨形成机制还不完全清楚，尤其是特大暴雨的成因，尚 有待于详细分析研究.”如果说亏缺的水汽是由远处输运而来，则需要很高的输运速率，这必然形成大风（且输 运的水汽必须贴近地面才能对流上升），而大风又会将积雨云吹跑.这是一个严重的矛盾.而 每一个人都有的经验是：凡暴雨时空气都是很稳定的、基本无风的，有强风的雨很快会停止 而晴天.现有的理论也不能解释冰雹尤其是巨大冰雹的成因.因为“要造成地面成灾的冰雹直径 应在5毫米以上，考虑到降落时将经过24公里以上厚度的正温区（温度大于0C）而融 化问题，云中冰雹直径应大于1厘米
16、，为支托这样大小的冰雹，云中必须有大于15米/秒以 上的强上升气流（相当于7级风）.而如果是像鸡蛋、拳头一样大甚至更大的冰雹，则需 要多么强的上升气流，又需要多么长的生长时间呢？并且，理论计算和实验表明，要在十来 分钟时间里从冰雹胚胎增长到1厘米直径的冰雹，则云中含水量至少应大于10克/米3,何 况还有像鸡蛋、拳头一样大甚至更大的冰雹.而积雨云内最大含水量往往才达到0.451.0g/米实际的情况是，有些罕见冰雹，大得足够惊人.如“1923年10月23日申报10版 报道一则陕北空前大冰雹云：（冰雹）方其降时，初仅若豆，继则若卵，后竟若拳，损 伤人畜田禾不知凡几.雹止后，横山县官绅，出城验灾，则半里至沙滩，突遇一物，透明结 晶，高丈余，直立地上，就地掘三尺余深，犹未尽其根，周围十人，莫能合抱，及日出， 始知为最大之冰雹也.”又“清刘献庭广阳杂记卷二第
