關(guān)于現(xiàn)代空氣動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)理論的思考

關(guān)于現(xiàn)代空氣動(dòng)力學(xué)

基礎(chǔ)理論的思考

吳介之北京大學(xué)力學(xué)與空天技術(shù)系湍流與復(fù)雜系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

2006.5關(guān)于現(xiàn)代空氣動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)理論的思考共40頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第1頁(yè)!基礎(chǔ)空氣動(dòng)力學(xué)（含內(nèi)、外流以及水動(dòng)力學(xué)）的任務(wù)是發(fā)展理論方法、實(shí)驗(yàn)技術(shù)和計(jì)算手段，為應(yīng)用空氣動(dòng)力學(xué)研發(fā)各種氣動(dòng)構(gòu)形（含內(nèi)、外流以及水動(dòng)力學(xué)構(gòu)形）、提高它們的性能服務(wù)。這里就基礎(chǔ)空氣動(dòng)力學(xué)理論的發(fā)展問(wèn)題談幾點(diǎn)淺見(jiàn)，向大家請(qǐng)教。這些思考是近年來(lái)撰寫論文和與審稿人的爭(zhēng)論中逐步形成的。關(guān)于現(xiàn)代空氣動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)理論的思考共40頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第2頁(yè)!內(nèi)容空氣動(dòng)力學(xué)與流體力學(xué)經(jīng)典空氣動(dòng)力學(xué)的理論戰(zhàn)略現(xiàn)代空氣動(dòng)力學(xué)的理論戰(zhàn)略結(jié)語(yǔ)關(guān)于現(xiàn)代空氣動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)理論的思考共40頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第3頁(yè)!在西方，代著作以Lamb的Hydrodynamics（1879－1932）為代表，重點(diǎn)處理無(wú)粘不可壓勢(shì)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(yīng)的無(wú)粘無(wú)旋氣體動(dòng)力學(xué)，包括一維無(wú)粘可壓縮等熵流理論、二維（軸對(duì)稱）雙曲型方程特征線理論和無(wú)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(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)理論的思考共40頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第4頁(yè)!可否這樣估計(jì)：第三代著作將處理粘性可壓縮有旋流，其理論基礎(chǔ)應(yīng)當(dāng)是脹壓過(guò)程和剪切過(guò)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(chǎng)內(nèi)部和固壁上的閉環(huán)耦合是個(gè)典型例子（王明皓）。這種耦合在火箭發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒穩(wěn)定性中有重要應(yīng)用。關(guān)于現(xiàn)代空氣動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)理論的思考共40頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第5頁(yè)!Nonlinearinstabilitytheoryprediction(Flandro2006)關(guān)于現(xiàn)代空氣動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)理論的思考共40頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第6頁(yè)!2、經(jīng)典空氣動(dòng)力學(xué)的理論戰(zhàn)略CFD和PIV之前的空氣動(dòng)力學(xué)可稱為經(jīng)典空氣動(dòng)力學(xué)。理論發(fā)展的唯一戰(zhàn)略是建立盡可能簡(jiǎn)化的數(shù)學(xué)模型并求出解析解－理論?；ㄍV）的近似理論。最了不起的理論?；独?00年前的環(huán)量理論。關(guān)于現(xiàn)代空氣動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)理論的思考共40頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第7頁(yè)!Kutta和Joukowski居然鉆了二維繞固體的勢(shì)流場(chǎng)為多連通域這個(gè)空子，在勢(shì)流中引入不確定的環(huán)量并證明它正比于升力，再用一個(gè)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(kāi)始就研究三維機(jī)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(jī)翼產(chǎn)生的整個(gè)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(dǎo)阻力機(jī)翼的平面形狀，而無(wú)需求解三維流體運(yùn)動(dòng)方程。關(guān)于現(xiàn)代空氣動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)理論的思考共40頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第8頁(yè)!Prandtl依靠對(duì)近壁流動(dòng)的物理洞察力得到邊界層理論，使人們能對(duì)環(huán)量、摩阻、全部定常機(jī)翼渦系、因而全部升、阻力的來(lái)源作出統(tǒng)一的解釋。vonKarman繼承了低速空氣動(dòng)力學(xué)理論?；膫鹘y(tǒng)，主導(dǎo)了高速內(nèi)外流空氣動(dòng)力學(xué)的誕生，它的流體力學(xué)理論基礎(chǔ)全在Liepmann&Roshko的書中。關(guān)于現(xiàn)代空氣動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)理論的思考共40頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第9頁(yè)!有一種廣為接受的觀念：空氣動(dòng)力學(xué)的基礎(chǔ)理論業(yè)已成熟，沒(méi)什么可發(fā)展的了。如果這指的是經(jīng)典空氣動(dòng)力學(xué)，那是對(duì)的。人們停頓在無(wú)粘附著流小擾動(dòng)理論和邊界層理論的簡(jiǎn)單迭加這種框架中已達(dá)半個(gè)世紀(jì)。這種停頓是歷史的必然。隨著CFD的發(fā)展，很多5、60年代時(shí)髦的解析解已如過(guò)眼煙云，只剩下歷史價(jià)值。然而，如果這種觀念指的是整個(gè)空氣動(dòng)力學(xué)（定常、尤其是非定常），那是錯(cuò)的。分離流空氣動(dòng)力學(xué)迄今尚未完成。本質(zhì)的困難在于渦運(yùn)動(dòng)的高度非線性。關(guān)于現(xiàn)代空氣動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)理論的思考共40頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第10頁(yè)!60年代以來(lái)，人們對(duì)流體運(yùn)動(dòng)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(dòng)穩(wěn)定性、渦破裂、轉(zhuǎn)捩、湍流等等的認(rèn)識(shí)都大大深化了。流體力學(xué)基礎(chǔ)領(lǐng)域出現(xiàn)了一系列闡明復(fù)雜物理現(xiàn)象的重要理論成果。但是，由于這些運(yùn)動(dòng)高度的復(fù)雜性和非線性，在經(jīng)典戰(zhàn)略的框架內(nèi)，流體力學(xué)的成果在分離流空氣動(dòng)力學(xué)中不可能得到完整的理論反映。基礎(chǔ)空氣動(dòng)力學(xué)家不得不回到基礎(chǔ)流體力學(xué)，逐一掌握大量有關(guān)復(fù)雜流動(dòng)的知識(shí)，再用來(lái)發(fā)展新的氣動(dòng)構(gòu)形并優(yōu)化其性能。關(guān)于現(xiàn)代空氣動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)理論的思考共40頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第11頁(yè)!3、現(xiàn)代空氣動(dòng)力學(xué)的理論戰(zhàn)略對(duì)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(dòng)力學(xué)那種近似有效的解析解。在CFD和PIV時(shí)代，至少在原則上可以得到全流場(chǎng)信息，也沒(méi)必要刻意尋找那種解析解。關(guān)于現(xiàn)代空氣動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)理論的思考共40頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第12頁(yè)!然而，不能因此就認(rèn)為，現(xiàn)代空氣動(dòng)力學(xué)只需要兩頭：一頭是基本方程，另一頭是現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)測(cè)量和大規(guī)模計(jì)算得到的海量數(shù)據(jù)。兩頭之間其實(shí)有巨大空白，仍只有理論能夠填補(bǔ)?？諝鈩?dòng)力學(xué)從來(lái)不等于基本方程和流場(chǎng)數(shù)據(jù)的簡(jiǎn)單組合?，F(xiàn)在，人們至少在以下方面迫切需要理論的指導(dǎo)：關(guān)于現(xiàn)代空氣動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)理論的思考共40頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第13頁(yè)!現(xiàn)代空氣動(dòng)力學(xué)應(yīng)當(dāng)也能夠發(fā)展精確的理論來(lái)研發(fā)和優(yōu)化新的氣動(dòng)構(gòu)形。空氣動(dòng)力學(xué)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(dòng)的限制，拋棄尋找解析解的不可能任務(wù)，轉(zhuǎn)入提供最具物理洞察力的、針對(duì)所需氣動(dòng)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(chǎng)的任務(wù)交給CFD和實(shí)驗(yàn)。當(dāng)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(jī)會(huì)都不應(yīng)放過(guò)（田方寶）。解讀數(shù)據(jù)的精確理論在現(xiàn)代流體力學(xué)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(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)理論的思考共40頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第14頁(yè)!此后1/4個(gè)世紀(jì)，在渦量矩理論的啟發(fā)帶動(dòng)下，陸續(xù)出現(xiàn)了另一些形式的、用渦量表述的空氣動(dòng)力學(xué)理論，例如邊界渦量流理論、有限域渦量矩理論、一般導(dǎo)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(yàn)和提煉（吳鎮(zhèn)遠(yuǎn)）。這些理論相互包容，相互補(bǔ)充，從渦量場(chǎng)演化的不同側(cè)面展現(xiàn)了外流空氣動(dòng)力的同一物理來(lái)源，各有自己方便的應(yīng)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(xiàng)任務(wù)）。關(guān)于現(xiàn)代空氣動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)理論的思考共40頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第15頁(yè)!關(guān)于現(xiàn)代空氣動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)理論的思考共40頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第16頁(yè)!關(guān)于現(xiàn)代空氣動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)理論的思考共40頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第17頁(yè)!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(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)理論的思考共40頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第18頁(yè)!一個(gè)全機(jī)標(biāo)模非定?？蓧嚎s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(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)理論的思考共40頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第19頁(yè)!關(guān)于現(xiàn)代空氣動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)理論的思考共40頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第20頁(yè)!4、結(jié)語(yǔ)三屆渦動(dòng)力學(xué)研討會(huì)，對(duì)我國(guó)空氣動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)理論的發(fā)展、檢驗(yàn)和應(yīng)用，起了獨(dú)特的促進(jìn)作用。我們的某些基礎(chǔ)理論和應(yīng)用基礎(chǔ)研究處于國(guó)際前列，堅(jiān)持做下去會(huì)形成有自己特色的學(xué)派，對(duì)整個(gè)現(xiàn)代空氣動(dòng)力學(xué)的更新?lián)Q代會(huì)有所貢獻(xiàn)。就外流而言，比較薄弱的是復(fù)雜構(gòu)形的高精度計(jì)算能力和配套的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?。這兩條腿跟不上，解讀數(shù)據(jù)的理論得不到檢驗(yàn)和廣泛應(yīng)用，也不可能被承認(rèn)。關(guān)于現(xiàn)代空氣動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)理論的思考共40頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第21頁(yè)!1、空氣動(dòng)力學(xué)與流體力學(xué)作為流體力學(xué)的一個(gè)應(yīng)用分支，每個(gè)時(shí)代的空氣動(dòng)力學(xué)、尤其是其基礎(chǔ)理論的發(fā)展，都推動(dòng)當(dāng)時(shí)流體力學(xué)的理論發(fā)展，又反過(guò)來(lái)建立在其成就之上。每個(gè)時(shí)代流體力學(xué)的理論局限也必然是該時(shí)代空氣動(dòng)力學(xué)的理論局限。近代流體力學(xué)經(jīng)歷的幾次主要發(fā)展都集中表現(xiàn)于每個(gè)時(shí)代的代表著作中。關(guān)于現(xiàn)代空氣動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)理論的思考共40頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第22頁(yè)!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(gè)方面，就是我們常說(shuō)的脹壓和剪切兩個(gè)流體運(yùn)動(dòng)基本過(guò)程。湍流問(wèn)題還沒(méi)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(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)理論的思考共40頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第23頁(yè)!Experimentonbustioninstabilityinrocketmotor(fromFlandro2006)關(guān)于現(xiàn)代空氣動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)理論的思考共40頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第24頁(yè)!顯然是剪切和脹壓過(guò)程的耦合效應(yīng)關(guān)于現(xiàn)代空氣動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)理論的思考共40頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第25頁(yè)!低速空氣動(dòng)力學(xué)賴以形成的理論全在Lamb的書中。內(nèi)流依靠的無(wú)非是一維無(wú)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(lái)再也沒(méi)有過(guò)的。關(guān)于現(xiàn)代空氣動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)理論的思考共40頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第26頁(yè)!關(guān)于現(xiàn)代空氣動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)理論的思考共40頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第27頁(yè)!經(jīng)典理論?；瘧?zhàn)略的主要適用范圍：流線形物體的無(wú)粘附著流加邊界層修正；定?；蛐≌穹芷诹鳎痪€性近似＋少量弱非線性攝動(dòng)。這樣得到的氣動(dòng)構(gòu)形是代航空流型：附著流型（Kuchemann1978）。成功的理論?；瘉?lái)自對(duì)流動(dòng)機(jī)理的深刻洞察?；诓徽_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(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)理論的思考共40頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第28頁(yè)!關(guān)于現(xiàn)代空氣動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)理論的思考共40頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第29頁(yè)!上述狀況提出了一個(gè)根本性的問(wèn)題：現(xiàn)代空氣動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)理論需要干什么？能干什么？向何處去？下面，試圖對(duì)這些問(wèn)題作些探討，希望引起討論。關(guān)于現(xiàn)代空氣動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)理論的思考共40頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第30頁(yè)!關(guān)于現(xiàn)代空氣動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)理論的思考共40頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第31頁(yè)!給出嚴(yán)格、精確、廣泛適用的氣動(dòng)力性能表達(dá)式，它們能直指性能的物理根源，并作為導(dǎo)出各種近似公式的基礎(chǔ)。在海量數(shù)據(jù)中提取出對(duì)構(gòu)形氣動(dòng)力性能有直接貢獻(xiàn)的流動(dòng)結(jié)構(gòu)，獲得深刻的物理認(rèn)識(shí)，如同經(jīng)典理論中的環(huán)量和渦系那樣，并反過(guò)來(lái)指導(dǎo)氣動(dòng)力性能的改進(jìn)、優(yōu)化和控制；為用實(shí)驗(yàn)測(cè)量得出構(gòu)形氣動(dòng)力性能所需要的高精度、高可行性方法（包括指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)手段本身的發(fā)展）提供理論基礎(chǔ)。關(guān)于現(xiàn)代空氣動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)理論的思考共40頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第32頁(yè)!就積分氣動(dòng)性能而言，低速（或不可壓）空氣動(dòng)力學(xué)、包括生物外流力學(xué)的轉(zhuǎn)型，始于吳鎮(zhèn)遠(yuǎn)（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(gè)物質(zhì)團(tuán)，如一個(gè)孤立的渦環(huán)）在不可壓流體中作任意運(yùn)動(dòng)或變形時(shí)所受的力和力矩，同時(shí)揭示出這些力和力矩只依賴于物體運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的渦量場(chǎng)的一階及二階矩的變化率，其中尤其包括物體加速運(yùn)動(dòng)引起的表觀質(zhì)量力，它歷來(lái)被認(rèn)為是純勢(shì)流效應(yīng)。經(jīng)典空氣動(dòng)力學(xué)理論是渦量矩理論在簡(jiǎn)化的近似假設(shè)下的直接特例。一般情況下，應(yīng)用這些理論需要知道渦量場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)。除簡(jiǎn)化情況外，這種知識(shí)靠計(jì)算或?qū)嶒?yàn)提供。關(guān)于現(xiàn)代空氣動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)理論的思考共40頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第33頁(yè)!關(guān)于現(xiàn)代空氣動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)理論的思考共40頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第34頁(yè)!關(guān)于現(xiàn)代空氣動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)理論的思考共40頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第35頁(yè)!借用吳鎮(zhèn)遠(yuǎn)的命名，這些理論的有機(jī)結(jié)合可稱為渦量空氣動(dòng)力學(xué)。這套理論的出現(xiàn)及其在各種問(wèn)題中的初步應(yīng)用，標(biāo)志著低速空氣動(dòng)力學(xué)突破了傳統(tǒng)的定常附著流小擾動(dòng)理論框架，預(yù)示著現(xiàn)代空氣動(dòng)力學(xué)理論基礎(chǔ)的統(tǒng)一雛形正在形成。將在研究復(fù)雜構(gòu)形非定常分離流和發(fā)展優(yōu)化構(gòu)形中起指導(dǎo)作用。關(guān)于現(xiàn)代空氣動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)理論的思考共40頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第36頁(yè)!高速空氣動(dòng)力學(xué)也有理論轉(zhuǎn)型的任務(wù)，以精確給出物理意義最清晰的氣動(dòng)力性能理論為目的。應(yīng)當(dāng)以粘性可壓縮有旋流體力學(xué)為基礎(chǔ)，核心問(wèn)題是兩個(gè)基本流體動(dòng)力學(xué)過(guò)程的分解與耦合?？紤]到超高速飛行中的傳質(zhì)、傳熱、化學(xué)反應(yīng)、多相、稀薄、微尺度等效應(yīng)，還要研究流體運(yùn)動(dòng)過(guò)程與非平衡熱力學(xué)過(guò)程和化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的分解與耦合。事實(shí)上，上述渦量空氣動(dòng)力學(xué)理論的不同表述中，