工业空气动力学(图文教程)

    空气动力学同气象学、气候学、结构动力学、建筑工程等相互渗透而形成的一门新兴学科，主要研究在大气边界层中风与人类活动及其劳动产物间的相互作用规律。工业空气动力学一词最早见于20世纪60年代初，迄今仍在欧洲使用。在美国和其他一些地区自70年代起已逐渐被“风力工程”一词取代。

简介

    一般来说，空气动力学主要航空，用于特别是航空器（飞机，导弹，飞艇等）的外形设计，如何提高升力，减小阻力，如何取得优良的操纵性，稳定性等。

    工业空气动力学，就是地面上的空气动力学，比如汽车拿到风洞里吹风，可以观察汽车周围的气流形态，然後设计改形，阻力减小来节省汽油，减少噪音。大城市的建筑群布局不合理，楼间会形成很强的风场，在北京的大风天尤为如此，桥梁也面临类似的问题，特别是气流的波动频率和建筑物的固有振动频率相近，就会使建筑物强烈振动，比如水泥钢筋的桥梁，就会被看不见摸得着的风儿给吹折了。

    空气动力学同气象学、气候学、结构动力学、建筑工程等相互渗透而形成的一门新兴学科，主要研究在大气边界层中风与人类活动及其劳动产物间的相互作用规律。工业空气动力学一词最早见于20世纪60年代初，迄今仍在欧洲使用。在美国和其他一些地区自70年代起已逐渐被“风力工程”一词取代。

研究内容

    工业空气动力学的研究内容目前主要有下述八个方面：

① 风在大气边界层内的特性

    紧靠地球表面300～1000米范围内的空气层称为大气边界层。在此层内，由于湍流的作用，地面摩擦阻力的影响得以向上传递，这种影响直到边界层外缘的自由大气处方可忽略。从空气动力学的角度看，大气边界层气体流动（即风）的特点是：平均风速随离地面高度的增加而增大，风向逐渐偏转，温度随高度变化，气流的湍流度可达20%，因而必须考虑其湍流结构。这些特性在近地面的 100米内比较清楚，在外层则须进一步研究。至于台风、龙卷风、低空急流和雷暴等的特性则了解得较少。

②　风对建筑物和构筑物的作用

    这是工业空气动力学最早的研究内容。其中包括风对房屋、桥梁、烟囱、电视塔、空中电缆、雷达天线、冷却塔和广告牌等的作用，如平均风载荷、脉动风载荷、风振、通风和热损失等。风振是由于来流中的湍流脉动或脱体旋涡下曳或驰振等引起的。物体的振动又反过来影响风的作用力。结构的正确设计须考虑在不同情况下这些静载荷和动载荷以及它们相互的作用，并研究如何采取措施防止发生共振。此外，确定果园、森林等的种植布置方式以避免风害，也是这方面研究的课题。

③　建筑或建筑群所诱致的局部风场

    这项研究的目的是使环境的布置更能满足人们的需要，也为建筑物顶部或附近是否适合建立直升飞机场提供依据。此外，还探讨改变或控制风场的措施。

④　风引起的质量迁移

    （这包括气体、液体或固体）的迁移、大气污染物的排放、扩散和弥散规律，它们同污染浓度的预测和环境质量的评价有密切关系。掌握这些规律就能采取措施减轻环境污染。这需要人们对于在不同的气象和不同的地形地貌（特别是复杂的城市环境、高楼夹道和山区等处）条件下的大气湍流扩散规律进行研究。另外，防止沙漠的迁移，雪在公路、建筑物附近的堆积和种子的传播等，也都是重要的研究课题。

⑤　风对运输系统的作用

    如汽车、火车等气动特性和减阻等。在车辆高速行驶时，空气阻力可占总阻力50%以上，阻力的大小不仅同车身外形有关，也同冷却水箱的设计、空气在车架下方的流动有关。此外，车辆所受举力，转弯和刹车性能，高速火车在受到侧风和通过隧道以及会车（在一米以内）时的气流问题，船舶水上部分的气动性能等，也都是研究的对象。（见车辆空气动力学）

⑥　风能资源的利用

    风是一种清洁的可更新能源。几千年来人们一直利用风帆行舟和风车提水。当前能源紧张，开发风能更有现实意义。研究用于发电或提水的不同类型的风轮机的气动特性（见风能利用），包括由风引起的轮机和塔架的振动，都是重要的研究课题。

⑦　风对社会和经济的影响

    近年来有的国家由于风灾造成的损失每年高达五亿美元，而且数字还在增大。人们对风振和风引起的噪声的不安全感，大气污染和能源的利用等问题对社会、经济、心理、生理等的影响都需要进行综合考虑，其中还包括制定法律和规定制度等。

⑧　其他

    指一些未成熟和未发展成为专门的学科分支的项目，如体育运动中的一些空气动力学问题的研究等。

研究方法

    大致可分为现场观测、实验室模拟和理论分析(包括数值计算)三种。目前还难于直接从纳维－斯托克斯方程和相应的边界条件、初始条件出发求解析解或数值解，困难主要在于如何建立剪切湍流（见湍流理论）的数学模型。但这种理论分析即使还不能得到实用的结果，也有助于对流动现象及其机理的理解。现场的全尺寸实测是最基本的科学实验，是检验实验室模拟和理论分析的基础，但实测条件难以控制，所需的人力、物力和财力较大，历时较久。所以，目前工业空气动力学问题的研究主要靠实验室模拟，特别是利用风洞。为使实验室模拟所得到的结果能符合实际，两者必须满足几何相似和动力、热力相似，即要求它们具有相同的相似参数，如雷诺数、理查孙数(见环境空气动力学)、罗斯比数（见地球流体力学）等；但首先须使模拟的气流是大气边界层气流。为此，人们建造了具有温度层结的长实验段“大气边界层风洞”，或者用人工加速形成边界层，使原供航空设计用的短实验段风洞获得新的应用。此外，也可利用密度分层(如不同盐度)的水槽来模拟温度层结。在模拟实验中风向偏转模拟问题尚未解决，台风和龙卷风的模拟则刚刚开始，很多模拟和测量技术有待进一步完善。