[科普中国]-非定常空气动力学

发展沿革

非定常空气动力学是研究物体相对于空气的运动随时间变化时，物体的空气动力变化规律的学科。20世纪20年代初，人们从飞机坠落事故中认识到气动力、弹性力和惯性力三者的耦合现象──机翼颤振，非定常空气动力学也随之开始。

30年代末，二维振荡机翼非定常气动力理论趋于成熟，奠定了整个学科的基础。随着飞机速度的提高，又出现了许多新的气动现象，这使非定常空气动力学研究的内容得到了扩充。

60年代以后，振荡机翼非定常气动力理论得到突破，由二维发展到三维，由亚音速进入到跨音速和超音速，由单独翼面扩展到多部件气动。 2

分类非定常空气动力按其特征可以分为三类。振荡型：运动特征随时间呈现周期性的变化，如飞机的颤振、嗡鸣等；瞬变型：运动特征随时间呈现非周期性的突然变化，如飞机的机动飞行等； 随机型：运动特征随时间呈现不规则的随机性变化，如飞机的失速、抖振、湍流尾迹等。非定常空气动力学是空气动力学的主要发展方向，但由于理论方法的局限，大量的非定常气动问题还需要通过实验来解决。2

特点非定常空气动力学研究与时间相关的空气动力学问题。它比相应的定常问题不仅多了一个自变量，而且本质上要复杂得多：首先，每一时刻得非定常气动力既依赖于当时得气流状况，又依赖于前一段时间内气流运动得整个时间历程；其次，非定常气动力是个动态过程，它必然与物体得惯性荷弹性耦合起来，构成复杂的气动弹性动力学问题。这样一来，就给解决非定常气动力问题带来了困难：

①对于流动机理比较清楚的问题，需要求出气动力作用的时间历程，与相应的定常问题相比，其处理方法较复杂，计算工作量也大得多；

②非定常过程引起了流动图像的改变，例如激波运动、分离点变化、流态改变、漩涡脉动等等，高频与低频振动两者的影响不一样，而且非定常流往往不能搬用定常流的结论，因此出现了不少新现象、新问题；

③多种因素耦合，涉及气动弹性动力学问题。3

应用非定常空气动力学正在迅速发展，主要是由于工程实际问题的推动。飞行器、叶轮机械、受风载的高层建筑和结构等工业部门都迫切需要用它来解决运动响应和气动弹性问题。从它所应用的范围来讲，可分为两个方面：

1、研究刚性飞行器的运动响应，主要指飞行器在扰动下（包括控制面作用下）的动态稳定性和机动性。这是飞行力学所要解决的课题，但要求非定常空气动力学提供一套动稳定性参数的数据。

2、研究弹性物体的结构动力响应，也就是气动弹性动力学问题。按振动的性质，它们仅可分为两类：气动弹性动稳定性问题（自激振动）和气动弹性动力响应问题（强迫振动）。3