1. 渦旋的形成原理
當(dāng)物體快速運(yùn)動的時候,它前面的空氣不能及時地繞到后 面,使物體后邊暫時出現(xiàn)了一個接近真空的區(qū)域,這個區(qū)域一 出現(xiàn),四周的空氣便要爭先恐后地跑來填補(bǔ),這樣便形成了渦 旋,。
2. 渦旋的形成原理和特點(diǎn)
渦旋制動就是通過磁場旋轉(zhuǎn)在一塊固定的鐵磁材料中產(chǎn)生渦旋電流(簡稱渦流),來消耗動能,。 從能量守恒的觀點(diǎn)來看,有一部分機(jī)械能被轉(zhuǎn)化成電能,靠電能轉(zhuǎn)換成熱能釋放掉。
3. 渦旋的科學(xué)原理
渦輪噴氣發(fā)動機(jī)的工作原理：
現(xiàn)代渦輪噴氣發(fā)動機(jī)的結(jié)構(gòu)由進(jìn)氣道,、壓氣機(jī),、燃燒室、渦輪和尾噴管組成,，戰(zhàn)斗機(jī)的渦輪和尾噴管間還有加力燃燒室,。渦輪噴氣發(fā)動機(jī)仍屬于熱機(jī)的一種,，就必須遵循熱機(jī)的做功原則：在高壓下輸入能量，低壓下釋放能量,。
因此,，從產(chǎn)生輸出能量的原理上講，噴氣式發(fā)動機(jī)和活塞式發(fā)動機(jī)是相同的,，都需要有進(jìn)氣,、加壓、燃燒和排氣這四個階段,。
不同的是,，在活塞式發(fā)動機(jī)中這4個階段是分時依次進(jìn)行的，但在噴氣發(fā)動機(jī)中則是連續(xù)進(jìn)行的,，氣體依次流經(jīng)噴氣發(fā)動機(jī)的各個部分,，就對應(yīng)著活塞式發(fā)動機(jī)的四個工作位置。
4. 渦旋運(yùn)動產(chǎn)生的原因
大氣湍流是大氣中的一種重要運(yùn)動形式,，它的存在使大氣中的動量,、熱量、水氣和污染物的垂直和水平交換作用明顯增強(qiáng),，遠(yuǎn)大于分子運(yùn)動的交換強(qiáng)度,。大氣湍流的存在同時對光波、聲波和電磁波在大氣中的傳播產(chǎn)生一定的干擾作用,。
在大氣運(yùn)動過程中,，在其平均風(fēng)速和風(fēng)向上疊加的各種尺度的無規(guī)則漲落。 這種現(xiàn)象同時在溫度,、濕度以及其他要素上表現(xiàn)出來,。大氣湍流最常發(fā)生的3個區(qū)域是：
① 大氣底層的邊界層內(nèi)。
②對流云的云體內(nèi)部,。
③大氣對流層上部的西風(fēng)急流區(qū)內(nèi),。
大氣湍流的條件
大氣湍流的發(fā)生需具備一定的動力學(xué)和熱力學(xué)條件：其動力學(xué)條件是空氣層中具有明顯的風(fēng)速切變；熱力學(xué)條件是空氣層必須具有一定的不穩(wěn)定度,，其中最有利的條件是上層空氣溫度低于下層的對流條件,，在風(fēng)速切變較強(qiáng)時，上層氣溫略高于下層,，仍可能存在較弱的大氣湍流,。理論研究認(rèn)為，大氣湍流運(yùn)動是由各種尺度的渦旋連續(xù)分布疊加而成,。其中大尺度渦旋的能量來自平均運(yùn)動的動量和浮力對流的能量,；中間尺度的渦旋能量，則保持著從上一級大渦旋往下一級小渦旋傳送能量的關(guān)系；在渦旋尺度更小的范圍里,，能量的損耗起到了主要的作用,，因而湍流渦旋具有一定的最小尺度。在大氣邊界層內(nèi),，可觀測分析到最大尺度渦旋約為 1千米到數(shù)百米,；而最小尺度約為1毫米。
5. 渦旋原理圖
這種現(xiàn)象跟地球自轉(zhuǎn)和重力有關(guān),，水受到地球重力的影響,，受一個向下的力作用（這點(diǎn)毋庸置疑，水會向下流而不會向上跑）,，同時,，水又受到地球自轉(zhuǎn)的影響，受一個水平方向的力作用,，根據(jù)力的合成原理,，水實際上就受到一個斜向的力作用，所以就產(chǎn)生了漩渦,。當(dāng)然,，順勢攪動水時也會產(chǎn)生漩渦，這是慣性,。
6. 渦旋的產(chǎn)生
在氣象學(xué)中,，旋風(fēng)是熱帶氣旋的一種，它圍繞著一個低大氣壓的強(qiáng)中心旋轉(zhuǎn),。氣旋的特點(diǎn)是向內(nèi)旋轉(zhuǎn)的氣流,，繞著一個低壓區(qū)旋轉(zhuǎn)。最大的低壓系統(tǒng)是極地渦旋和最大尺度的溫帶氣旋,。
在日常生活中，我們感到周圍的空氣經(jīng)常處于一種忽上忽下,、忽左忽右,、忽快忽慢的運(yùn)動變化之中，這說明空氣有不規(guī)則運(yùn)動的特點(diǎn),。這種運(yùn)動氣象學(xué)稱為亂流,，又稱湍流、擾動氣流,。
7. 渦旋的定義
空氣動力學(xué)是力學(xué)的一個分支,，它主要研究物體在同氣體作相對運(yùn)動情況下的受力特性、氣體流動規(guī)律和伴隨發(fā)生的物理化學(xué)變化,。它是在流體力學(xué)的基礎(chǔ)上,，隨著航空工業(yè)和噴氣推進(jìn)技術(shù)的發(fā)展而成長起來的一個學(xué)科。 空氣動力學(xué)的發(fā)展簡史 最早對空氣動力學(xué)的研究，可以追溯到人類對鳥或彈丸在飛行時的受力和力的作用方式的種種猜測,。17世紀(jì)后期,，荷蘭物理學(xué)家惠更斯首先估算出物體在空氣中運(yùn)動的阻力；1726年,，牛頓應(yīng)用力學(xué)原理和演繹方法得出：在空氣中運(yùn)動的物體所受的力,，正比于物體運(yùn)動速度的平方和物體的特征面積以及空氣的密度。這一工作可以看作是空氣動力學(xué)經(jīng)典理論的開始,。 1755年,，數(shù)學(xué)家歐拉得出了描述無粘性流體運(yùn)動的微分方程，即歐拉方程,。這些微分形式的動力學(xué)方程在特定條件下可以積分,，得出很有實用價值的結(jié)果。19世紀(jì)上半葉,，法國的納維和英國的斯托克斯提出了描述粘性不可壓縮流體動量守恒的運(yùn)動方程,，后稱為納維-斯托克斯方程。 到19世紀(jì)末,，經(jīng)典流體力學(xué)的基礎(chǔ)已經(jīng)形成,。20世紀(jì)以來，隨著航空事業(yè)的迅速發(fā)展,，空氣動力學(xué)便從流體力學(xué)中發(fā)展出來并形成力學(xué)的一個新的分支,。 航空要解決的首要問題是如何獲得飛行器所需要的舉力、減小飛行器的阻力和提高它的飛行速度,。這就要從理論和實踐上研究飛行器與空氣相對運(yùn)動時作用力的產(chǎn)生及其規(guī)律,。1894年，英國的蘭徹斯特首先提出無限翼展機(jī)翼或翼型產(chǎn)生舉力的環(huán)量理論,，和有限翼展機(jī)翼產(chǎn)生舉力的渦旋理論等,。但蘭徹斯特的想法在當(dāng)時并未得到廣泛重視 約在1901～1910年間，庫塔和儒科夫斯基分別獨(dú)立地提出了翼型的環(huán)量和舉力理論,，并給出舉力理論的數(shù)學(xué)形式,，建立了二維機(jī)翼理論。1904年,，德國的普朗特發(fā)表了著名的低速流動的邊界層理論,。該理論指出在不同的流動區(qū)域中控制方程可有不同的簡化形式。 邊界層理論極大地推進(jìn)了空氣動力學(xué)的發(fā)展,。普朗特還把有限翼展的三維機(jī)翼理論系統(tǒng)化,，給出它的數(shù)學(xué)結(jié)果，從而創(chuàng)立了有限翼展機(jī)翼的舉力線理論,。但它不能適用于失速,、后掠和小展弦比的情況,。1946年美國的瓊期提出了小展弦比機(jī)翼理論，利用這一理論和邊界層理論,，可以足夠精確地求出機(jī)冀上的壓力分布和表面摩擦阻力,。 近代航空和噴氣技術(shù)的迅速發(fā)展使飛行速度迅猛提高。在高速運(yùn)動的情況下,，必須把流體力學(xué)和熱力學(xué)這兩門學(xué)科結(jié)合起來,，才能正確認(rèn)識和解決高速空氣動力學(xué)中的問題。1887～1896年間,，奧地利科學(xué)家馬赫在研究彈丸運(yùn)動擾動的傳播時指出：在小于或大于聲速的不同流動中,，彈丸引起的擾動傳播特征是根本不同的。 在高速流動中,，流動速度與當(dāng)?shù)芈曀僦仁且粋€重要的無量綱參數(shù),。1929年，德國空氣動力學(xué)家阿克萊特首先把這個無量綱參數(shù)與馬赫的名字聯(lián)系起來,，十年后,，馬赫數(shù)這個特征參數(shù)在氣體動力學(xué)中廣泛引用。 小擾動在超聲速流中傳播會疊加起來形成有限量的突躍──激波,。在許多實際超聲速流動中也存在著激波,。氣流通過激波流場，參量發(fā)生突躍,，熵增加而總能量保持不變,。 英國科學(xué)家蘭金在1870年、法國科學(xué)家許貢紐在1887年分別獨(dú)立地建立了氣流通過激波所應(yīng)滿足的關(guān)系式,，為超聲速流場的數(shù)學(xué)處理提供了正確的邊界條件,。對于薄冀小擾動問題，阿克萊特在1925年提出了二維線化機(jī)冀理論,，以后又相應(yīng)地出現(xiàn)了三維機(jī)翼的線化理論,。這些超聲速流的線化理論圓滿地解決了流動中小擾動的影響問題。 在飛行速度或流動速度接近聲速時,，飛行器的氣動性能發(fā)生急劇變化,，阻力突增，升力驟降,。飛行器的操縱性和穩(wěn)定性極度惡化，這就是航空史上著名的聲障,。大推力發(fā)動機(jī)的出現(xiàn)沖過了聲障,，但并沒有很好地解決復(fù)雜的跨聲速流動問題。直至20世紀(jì)60年代以后,，由于跨聲速巡航飛行,、機(jī)動飛行,，以及發(fā)展高效率噴氣發(fā)動機(jī)的要求，跨聲速流動的研究更加受到重視,，并有很大的發(fā)展,。 遠(yuǎn)程導(dǎo)彈和人造衛(wèi)星的研制推動了高超聲速空氣動力學(xué)的發(fā)展。在50年代到60年代初,，確立了高超聲速無粘流理論和氣動力的工程計算方法,。60年代初，高超聲速流動數(shù)值計算也有了迅速的發(fā)展,。通過研究這些現(xiàn)象和規(guī)律,，發(fā)展了高溫氣體動力學(xué)、高速邊界層理論和非平衡流動理論等,。 由于在高溫條件下全引起飛行器表面材料的燒蝕和質(zhì)量的引射,，需要研究高溫氣體的多相流?？諝鈩恿W(xué)的發(fā)展出現(xiàn)了與多種學(xué)科相結(jié)合的特點(diǎn),。 空氣動力學(xué)發(fā)展的另一個重要方面是實驗研究，包括風(fēng)洞等各種實驗設(shè)備的發(fā)展和實驗理論,、實驗方法,、測試技術(shù)的發(fā)展。世界上第一個風(fēng)洞是英國的韋納姆在1871年建成的,。到今天適用于各種模擬條件,、目的、用途和各種測量方式的風(fēng)洞已有數(shù)十種之多,，風(fēng)洞實驗的內(nèi)容極為廣泛,。 20世紀(jì)70年代以來，激光技術(shù),、電子技術(shù)和電子計算機(jī)的迅速發(fā)展,，極大地提高了空氣動力學(xué)的實驗水平和計算水平，促進(jìn)了對高度非線性問題和復(fù)雜結(jié)構(gòu)的流動的研究,。 除了上述由航空航天事業(yè)的發(fā)展推進(jìn)空氣動力學(xué)的發(fā)展之外,，60年代以來，由于交通,、運(yùn)輸,、建筑、氣象,、環(huán)境保護(hù)和能源利用等多方面的發(fā)展,，出現(xiàn)了工業(yè)空氣動力學(xué)等分支學(xué)科。 空氣動力學(xué)的研究內(nèi) 通常所說的空氣動力學(xué)研究內(nèi)容是飛機(jī),，導(dǎo)彈等飛行器在名種飛行條件下流場中氣體的速度,、壓力和密度等參量的變化規(guī)律,，飛行器所受的舉力和阻力等空氣動力及其變化規(guī)律，氣體介質(zhì)或氣體與飛行器之間所發(fā)生的物理化學(xué)變化以及傳熱傳質(zhì)規(guī)律等,。從這個意義上講,，空氣動力學(xué)可有兩種分類法： 首先，根據(jù)流體運(yùn)動的速度范圍或飛行器的飛行速度,，空氣動力學(xué)可分為低速空氣動力學(xué)和高速空氣動力學(xué),。通常大致以400千米／小時這一速度作為劃分的界線。在低速空氣動力學(xué)中,，氣體介質(zhì)可視為不可壓縮的,，對應(yīng)的流動稱為不可壓縮流動。大于這個速度的流動,，須考慮氣體的壓縮性影響和氣體熱力學(xué)特性的變化,。這種對應(yīng)于高速空氣動力學(xué)的流動稱為可壓縮流動。 其次,，根據(jù)流動中是否必須考慮氣體介質(zhì)的粘性,，空氣動力學(xué)又可分為理想空氣動力學(xué)(或理想氣體動力學(xué))和粘性空氣動力學(xué)。 除了上述分類以外,，空氣動力學(xué)中還有一些邊緣性的分支學(xué)科,。例如稀薄氣體動力學(xué)、高溫氣體動力學(xué)等,。 在低速空氣動力學(xué)中,，介質(zhì)密度變化很小，可視為常數(shù),，使用的基本理論是無粘二維和三維的位勢流,、翼型理論、舉力線理論,、舉力面理論和低速邊界層理論等,；對于亞聲速流動，無粘位勢流動服從非線性橢圓型偏微分方程,，研究這類流動的主要理論和近似方法有小擾動線化方法,，普朗特-格勞厄脫法則、卡門-錢學(xué)森公式和速度圖法,，在粘性流動方面有可壓縮邊界層理論,；對于超聲速流動，無粘流動所服從的方程是非線性雙曲型偏微分方程,。 在超聲速流動中,，基本的研究內(nèi)容是壓縮波、膨脹波,、激波,、普朗特-邁耶爾流動、錐型流,，等等,。主要的理論處理方法有超聲速小擾動理論、特征線法和高速邊界層理論等,?？缏曀贌o粘流動可分外流和內(nèi)流兩大部分，流動變化復(fù)雜,，流動的控制方程為非線性混合型偏微分方程,，從理論上求解困難較大。 高超聲速流動的主要特點(diǎn)是高馬赫數(shù)和大能量,，在高超聲速流動中,，真實氣體效應(yīng)和激波與邊界層相互干擾問題變得比較重要。高超聲速流動分無粘流動和高超聲速粘性流兩大方面,。 工業(yè)空氣動力學(xué)主要研究在大氣邊界層中,，風(fēng)同各種結(jié)構(gòu)物和人類活動間的相互作用，以及大氣邊界層內(nèi)風(fēng)的特性,、風(fēng)對建筑物的作用,、風(fēng)引起的質(zhì)量遷移、風(fēng)對運(yùn)輸車輛的作用和風(fēng)能利用,，以及低層大氣的流動特性和各種顆粒物在大氣中的擴(kuò)散規(guī)律,，特別是端流擴(kuò)散的規(guī)律，等等,。 空氣動力學(xué)的研究方法 空氣動力學(xué)的研究,，分理論和實驗兩個方面。理論和實驗研究兩者彼此密切結(jié)合,，相輔相成,。理論研究所依據(jù)的一般原理有：運(yùn)動學(xué)方面，遵循質(zhì)量守恒定律,；動力學(xué)方面,，遵循牛頓第二定律；能量轉(zhuǎn)換和傳遞方面,，遵循能量守恒定律,；熱力學(xué)方面，遵循熱力學(xué)第一和第二定律,；介質(zhì)屬性方面,，遵循相應(yīng)的氣體狀態(tài)方程和粘性、導(dǎo)熱性的變化規(guī)律,，等等,。 實驗研究則是借助實驗設(shè)備或裝置,，觀察和記錄各種流動現(xiàn)象，測量氣流同物體的相互作用,，發(fā)現(xiàn)新的物理特點(diǎn)并從中找出規(guī)律性的結(jié)果,。由于近代高速電子計算機(jī)的迅速發(fā)展，數(shù)值計算在研究復(fù)雜流動和受力計算方面起著重要作用,，高速電子計算機(jī)在實驗研究中的作用也日益增大,。因此，理論研究,、實驗研究,、數(shù)值計算三方面的緊密結(jié)合是近代空氣動力學(xué)研究的主要特征。 空氣動力學(xué)研究的過程一般是：通過實驗和觀察,，對流動現(xiàn)象和機(jī)理進(jìn)行分析,，提出合理的力學(xué)模型，根據(jù)上述幾個方面的物理定律,，提出描述流動的基本方程和定解條件,；然后根據(jù)實驗結(jié)果，再進(jìn)一步檢驗理論分析或數(shù)值結(jié)果的正確性和適用范圍,，并提出進(jìn)一步深入進(jìn)行實驗或理論研究的問題,。如此不斷反復(fù)、廣泛而深入地揭示空氣動力學(xué)問題的本質(zhì),。 20世紀(jì)70年代以來,，空氣動力學(xué)發(fā)展較為活躍的領(lǐng)域是湍流、邊界層過渡,、激波與邊界層相互干擾,、跨聲速流動、渦旋和分離流動,、多相流,、數(shù)值計算和實驗測試技術(shù)等等。此外,，工業(yè)空氣動力學(xué),、環(huán)境空氣動力學(xué)，以及考慮有物理化學(xué)變化的氣體動力學(xué)也有很大的發(fā)展
8. 渦旋的形成原理圖
一,、龍卷風(fēng)形成原因
由于小范圍的空氣渦旋,，是在不穩(wěn)定的天氣條件下，由空氣強(qiáng)烈對流運(yùn)動產(chǎn)生,。
龍卷風(fēng)則是中尺度的氣流不穩(wěn)定性造成的,，其平均直徑為200-300米，直徑最小的不過幾十米，只有極少數(shù)直徑大的才達(dá)到1000米以上,。
它的壽命也很短促,，往往只有幾分鐘到幾十分鐘，最多不超過幾小時,。其移動速度平均每秒15米,，最快的可達(dá)70米；移動路徑的長度大多在10公里左右,，短的只有幾十米，長的可達(dá)幾百公里以上,。它造成破壞的地面寬度,，一般有1～2公里。
二,、龍卷風(fēng)形成原理
1,、大氣的不穩(wěn)定性產(chǎn)生強(qiáng)烈的上升氣流，由于急流中的最大過境氣流的影響,，它被進(jìn)一步加強(qiáng),。
2、由于與在垂直方向上速度和方向均有切變的風(fēng)相互作用,，上升氣流在對流層的中部開始旋轉(zhuǎn),，形成中尺度氣旋。
3,、隨著中尺度氣旋向地面發(fā)展和向上伸展,，它本身變細(xì)并增強(qiáng)。同時,，一個小面積的增強(qiáng)輔合,，即初生的龍卷在氣旋內(nèi)部形成，形成龍卷核心,。
4,、龍卷核心中的旋轉(zhuǎn)與氣旋中的不同，它的強(qiáng)度足以使龍卷一直伸展到地面,。當(dāng)發(fā)展的渦旋到達(dá)地面高度時,，地面氣壓急劇下降，地面風(fēng)速急劇上升,，形成龍卷,。
9. 渦旋理論科普
空氣動力學(xué)
空氣動力學(xué)是力學(xué)的一個分支，它主要研究物體在同氣體作相對運(yùn)動情況下的受力特性,、氣體流動規(guī)律和伴隨發(fā)生的物理化學(xué)變化,。它是在流體力學(xué)的基礎(chǔ)上，隨著航空工業(yè)和噴氣推進(jìn)技術(shù)的發(fā)展而成長起來的一個學(xué)科。
空氣動力學(xué)的發(fā)展簡史
最早對空氣動力學(xué)的研究,，可以追溯到人類對鳥或彈丸在飛行時的受力和力的作用方式的種種猜測,。17世紀(jì)后期，荷蘭物理學(xué)家惠更斯首先估算出物體在空氣中運(yùn)動的阻力,；1726年,，牛頓應(yīng)用力學(xué)原理和演繹方法得出：在空氣中運(yùn)動的物體所受的力，正比于物體運(yùn)動速度的平方和物體的特征面積以及空氣的密度,。這一工作可以看作是空氣動力學(xué)經(jīng)典理論的開始,。
1755年，數(shù)學(xué)家歐拉得出了描述無粘性流體運(yùn)動的微分方程,，即歐拉方程,。這些微分形式的動力學(xué)方程在特定條件下可以積分，得出很有實用價值的結(jié)果,。19世紀(jì)上半葉,，法國的納維和英國的斯托克斯提出了描述粘性不可壓縮流體動量守恒的運(yùn)動方程，后稱為納維-斯托克斯方程,。
到19世紀(jì)末,，經(jīng)典流體力學(xué)的基礎(chǔ)已經(jīng)形成。20世紀(jì)以來,，隨著航空事業(yè)的迅速發(fā)展,，空氣動力學(xué)便從流體力學(xué)中發(fā)展出來并形成力學(xué)的一個新的分支。
航空要解決的首要問題是如何獲得飛行器所需要的舉力,、減小飛行器的阻力和提高它的飛行速度,。這就要從理論和實踐上研究飛行器與空氣相對運(yùn)動時作用力的產(chǎn)生及其規(guī)律。1894年,，英國的蘭徹斯特首先提出無限翼展機(jī)翼或翼型產(chǎn)生舉力的環(huán)量理論,，和有限翼展機(jī)翼產(chǎn)生舉力的渦旋理論等。但蘭徹斯特的想法在當(dāng)時并未得到廣泛重視,。
在1901～1910年間,，庫塔和儒科夫斯基分別獨(dú)立地提出了翼型的環(huán)量和舉力理論，并給出舉力理論的數(shù)學(xué)形式,，建立了二維機(jī)翼理論,。1904年，德國的普朗特發(fā)表了著名的低速流動的邊界層理論,。該理論指出在不同的流動區(qū)域中控制方程可有不同的簡化形式,。
邊界層理論極大地推進(jìn)了空氣動力學(xué)的發(fā)展。普朗特還把有限翼展的三維機(jī)翼理論系統(tǒng)化,，給出它的數(shù)學(xué)結(jié)果,，從而創(chuàng)立了有限翼展機(jī)翼的舉力線理論。但它不能適用于失速、后掠和小展弦比的情況,。1946年美國的瓊期提出了小展弦比機(jī)翼理論,，利用這一理論和邊界層理論，可以足夠精確地求出機(jī)冀上的壓力分布和表面摩擦阻力,。
近代航空和噴氣技術(shù)的迅速發(fā)展使飛行速度迅猛提高,。在高速運(yùn)動的情況下，必須把流體力學(xué)和熱力學(xué)這兩門學(xué)科結(jié)合起來,，才能正確認(rèn)識和解決高速空氣動力學(xué)中的問題,。1887～1896年間，奧地利科學(xué)家馬赫在研究彈丸運(yùn)動擾動的傳播時指出：在小于或大于聲速的不同流動中,，彈丸引起的擾動傳播特征是根本不同的,。
在高速流動中，流動速度與當(dāng)?shù)芈曀僦仁且粋€重要的無量綱參數(shù),。1929年，德國空氣動力學(xué)家阿克萊特首先把這個無量綱參數(shù)與馬赫的名字聯(lián)系起來,，十年后,，馬赫數(shù)這個特征參數(shù)在氣體動力學(xué)中廣泛引用。
小擾動在超聲速流中傳播會疊加起來形成有限量的突躍——激波,。在許多實際超聲速流動中也存在著激波,。氣流通過激波流場，參量發(fā)生突躍,，熵增加而總能量保持不變,。
英國科學(xué)家蘭金在1870年、法國科學(xué)家許貢紐在1887年分別獨(dú)立地建立了氣流通過激波所應(yīng)滿足的關(guān)系式,，為超聲速流場的數(shù)學(xué)處理提供了正確的邊界條件,。對于薄冀小擾動問題，阿克萊特在1925年提出了二維線化機(jī)冀理論,，以后又相應(yīng)地出現(xiàn)了三維機(jī)翼的線化理論,。這些超聲速流的線化理論圓滿地解決了流動中小擾動的影響問題。
在飛行速度或流動速度接近聲速時,，飛行器的氣動性能發(fā)生急劇變化,，阻力突增，升力驟降,。飛行器的操縱性和穩(wěn)定性極度惡化,，這就是航空史上著名的聲障。大推力發(fā)動機(jī)的出現(xiàn)沖過了聲障,，但并沒有很好地解決復(fù)雜的跨聲速流動問題,。直至20世紀(jì)60年代以后，由于跨聲速巡航飛行、機(jī)動飛行,，以及發(fā)展高效率噴氣發(fā)動機(jī)的要求,，跨聲速流動的研究更加受到重視，并有很大的發(fā)展,。
遠(yuǎn)程導(dǎo)彈和人造衛(wèi)星的研制推動了高超聲速空氣動力學(xué)的發(fā)展,。在50年代到60年代初，確立了高超聲速無粘流理論和氣動力的工程計算方法,。60年代初,，高超聲速流動數(shù)值計算也有了迅速的發(fā)展。通過研究這些現(xiàn)象和規(guī)律,，發(fā)展了高溫氣體動力學(xué),、高速邊界層理論和非平衡流動理論等。
由于在高溫條件下全引起飛行器表面材料的燒蝕和質(zhì)量的引射,，需要研究高溫氣體的多相流,。空氣動力學(xué)的發(fā)展出現(xiàn)了與多種學(xué)科相結(jié)合的特點(diǎn),。
空氣動力學(xué)發(fā)展的另一個重要方面是實驗研究,，包括風(fēng)洞等各種實驗設(shè)備的發(fā)展和實驗理論、實驗方法,、測試技術(shù)的發(fā)展,。世界上第一個風(fēng)洞是英國的韋納姆在1871年建成的。到今天適用于各種模擬條件,、目的,、用途和各種測量方式的風(fēng)洞已有數(shù)十種之多，風(fēng)洞實驗的內(nèi)容極為廣泛,。
20世紀(jì)70年代以來,，激光技術(shù)、電子技術(shù)和電子計算機(jī)的迅速發(fā)展,，極大地提高了空氣動力學(xué)的實驗水平和計算水平,，促進(jìn)了對高度非線性問題和復(fù)雜結(jié)構(gòu)的流動的研究。
除了上述由航空航天事業(yè)的發(fā)展推進(jìn)空氣動力學(xué)的發(fā)展之外,，60年代以來,，由于交通、運(yùn)輸,、建筑,、氣象、環(huán)境保護(hù)和能源利用等多方面的發(fā)展,，出現(xiàn)了工業(yè)空氣動力學(xué)等分支學(xué)科,。
空氣動力學(xué)的研究內(nèi)容
通常所說的空氣動力學(xué)研究內(nèi)容是飛機(jī),，導(dǎo)彈等飛行器在名種飛行條件下流場中氣體的速度、壓力和密度等參量的變化規(guī)律,，飛行器所受的舉力和阻力等空氣動力及其變化規(guī)律,，氣體介質(zhì)或氣體與飛行器之間所發(fā)生的物理化學(xué)變化以及傳熱傳質(zhì)規(guī)律等。從這個意義上講,，空氣動力學(xué)可有兩種分類法：
首先,，根據(jù)流體運(yùn)動的速度范圍或飛行器的飛行速度，空氣動力學(xué)可分為低速空氣動力學(xué)和高速空氣動力學(xué),。通常大致以400千米/小時這一速度作為劃分的界線,。在低速空氣動力學(xué)中，氣體介質(zhì)可視為不可壓縮的,，對應(yīng)的流動稱為不可壓縮流動,。大于這個速度的流動，須考慮氣體的壓縮性影響和氣體熱力學(xué)特性的變化,。這種對應(yīng)于高速空氣動力學(xué)的流動稱為可壓縮流動,。
其次，根據(jù)流動中是否必須考慮氣體介質(zhì)的粘性,，空氣動力學(xué)又可分為理想空氣動力學(xué)(或理想氣體動力學(xué))和粘性空氣動力學(xué),。
除了上述分類以外，空氣動力學(xué)中還有一些邊緣性的分支學(xué)科,。例如稀薄氣體動力學(xué),、高溫氣體動力學(xué)等,。
在低速空氣動力學(xué)中,，介質(zhì)密度變化很小，可視為常數(shù),，使用的基本理論是無粘二維和三維的位勢流,、翼型理論、舉力線理論,、舉力面理論和低速邊界層理論等,；對于亞聲速流動，無粘位勢流動服從非線性橢圓型偏微分方程,，研究這類流動的主要理論和近似方法有小擾動線化方法,，普朗特-格勞厄脫法則、卡門-錢學(xué)森公式和速度圖法,，在粘性流動方面有可壓縮邊界層理論,；對于超聲速流動，無粘流動所服從的方程是非線性雙曲型偏微分方程,。
在超聲速流動中,，基本的研究內(nèi)容是壓縮波,、膨脹波、激波,、普朗特-邁耶爾流動,、錐型流，等等,。主要的理論處理方法有超聲速小擾動理論,、特征線法和高速邊界層理論等?？缏曀贌o粘流動可分外流和內(nèi)流兩大部分,，流動變化復(fù)雜，流動的控制方程為非線性混合型偏微分方程,，從理論上求解困難較大,。
高超聲速流動的主要特點(diǎn)是高馬赫數(shù)和大能量，在高超聲速流動中,，真實氣體效應(yīng)和激波與邊界層相互干擾問題變得比較重要,。高超聲速流動分無粘流動和高超聲速粘性流兩大方面。
工業(yè)空氣動力學(xué)主要研究在大氣邊界層中,，風(fēng)同各種結(jié)構(gòu)物和人類活動間的相互作用,，以及大氣邊界層內(nèi)風(fēng)的特性、風(fēng)對建筑物的作用,、風(fēng)引起的質(zhì)量遷移,、風(fēng)對運(yùn)輸車輛的作用和風(fēng)能利用，以及低層大氣的流動特性和各種顆粒物在大氣中的擴(kuò)散規(guī)律,，特別是端流擴(kuò)散的規(guī)律,，等等。
空氣動力學(xué)的研究方法
空氣動力學(xué)的研究,，分理論和實驗兩個方面,。理論和實驗研究兩者彼此密切結(jié)合，相輔相成,。理論研究所依據(jù)的一般原理有：運(yùn)動學(xué)方面,，遵循質(zhì)量守恒定律；動力學(xué)方面,，遵循牛頓第二定律,；能量轉(zhuǎn)換和傳遞方面，遵循能量守恒定律,；熱力學(xué)方面,，遵循熱力學(xué)第一和第二定律；介質(zhì)屬性方面,，遵循相應(yīng)的氣體狀態(tài)方程和粘性,、導(dǎo)熱性的變化規(guī)律,，等等。
實驗研究則是借助實驗設(shè)備或裝置,，觀察和記錄各種流動現(xiàn)象,，測量氣流同物體的相互作用，發(fā)現(xiàn)新的物理特點(diǎn)并從中找出規(guī)律性的結(jié)果,。由于近代高速電子計算機(jī)的迅速發(fā)展,，數(shù)值計算在研究復(fù)雜流動和受力計算方面起著重要作用，高速電子計算機(jī)在實驗研究中的作用也日益增大,。因此,，理論研究、實驗研究,、數(shù)值計算三方面的緊密結(jié)合是近代空氣動力學(xué)研究的主要特征,。
空氣動力學(xué)研究的過程一般是：通過實驗和觀察，對流動現(xiàn)象和機(jī)理進(jìn)行分析,，提出合理的力學(xué)模型,，根據(jù)上述幾個方面的物理定律，提出描述流動的基本方程和定解條件,；然后根據(jù)實驗結(jié)果,，再進(jìn)一步檢驗理論分析或數(shù)值結(jié)果的正確性和適用范圍，并提出進(jìn)一步深入進(jìn)行實驗或理論研究的問題,。如此不斷反復(fù),、廣泛而深入地揭示空氣動力學(xué)問題的本質(zhì)。
20世紀(jì)70年代以來,，空氣動力學(xué)發(fā)展較為活躍的領(lǐng)域是湍流,、邊界層過渡、激波與邊界層相互干擾,、跨聲速流動,、渦旋和分離流動,、多相流,、數(shù)值計算和實驗測試技術(shù)等等。此外,，工業(yè)空氣動力學(xué),、環(huán)境空氣動力學(xué)，以及考慮有物理化學(xué)變化的氣體動力學(xué)也有很大的發(fā)展,。
10. 渦旋現(xiàn)象
天氣系統(tǒng)：龍卷風(fēng)是來自積雨云底部下垂的漏斗狀云及其所伴隨的非常強(qiáng)烈的旋風(fēng),，是大氣中最強(qiáng)烈的渦旋現(xiàn)象。
(它是一種破壞力最強(qiáng)的小尺度天氣系統(tǒng),，又稱龍卷風(fēng),，由于漏斗云內(nèi)氣壓很低,，具有很強(qiáng)的吮吸作用，當(dāng)漏斗云伸到陸地表面時,，可把大量沙塵等吸到空中,，形成塵柱，稱陸龍卷,；當(dāng)它伸到海面時,，能吸起高大水柱，稱海龍卷（或水龍卷）,。
海龍卷一般較陸龍卷弱,，水平范圍也比陸龍卷小。
) 主要現(xiàn)象：襲擊范圍小,，龍卷風(fēng)的直徑一般在十幾米到數(shù)百米之間,。龍卷風(fēng)的生存時間一般只有幾分鐘，最長也不超過數(shù)小時,。
風(fēng)力特別大,，在中心附近的風(fēng)速可達(dá)100-200米/秒。
破壞力極強(qiáng),，龍卷風(fēng)經(jīng)過的地方,，常會發(fā)生拔起大樹、掀翻車輛,、摧毀建筑物等現(xiàn)象,，有時把人吸走，危害十分嚴(yán)重,。
11. 渦旋的形成原理是什么
龍卷風(fēng)產(chǎn)生的原理： 地面上的水吸熱變成水蒸氣,，上升到天空蒸汽層上層，由于蒸汽層上層溫度低,，水蒸氣體積縮小比重增大,，蒸汽下降，由于蒸汽層下面溫度高,，下降過程中吸熱,，再度上升遇冷，再下降,，如此反復(fù)氣體分子逐漸縮小,，最后集中在蒸汽層底層，在底層形成低溫區(qū),，水蒸氣向低溫區(qū)集中,，這就形成云。云團(tuán)逐漸變大,，云內(nèi)部上下云團(tuán)上下溫差越來越小,，水蒸氣分子升降幅度越來越大,，云內(nèi)部上下對流越來越激烈，云團(tuán)下面上升的水蒸氣直向上升,，水蒸氣分子在上升過程中受冷體積縮小越來越小,，呈漏斗狀。上升的水蒸氣分子受冷體積不斷縮小,，云下氣體分子不斷補(bǔ)充空間便產(chǎn)生了大風(fēng),，由于水蒸氣受冷體積縮小時，周圍補(bǔ)充空間的氣體來時不均勻便形成龍卷風(fēng),。 基本特點(diǎn)： 龍卷風(fēng)是大氣中最強(qiáng)烈的渦旋的現(xiàn)象,，常發(fā)生于夏季的雷雨天氣時，尤以下午至傍晚最為多見,，影響范圍雖小,，但破壞力極大。龍卷風(fēng)經(jīng)過之處,，常會發(fā)生拔起大樹,、掀翻車輛、摧毀建筑物等現(xiàn)象,，它往往使成片莊稼,、成萬株果木瞬間被毀，令交通中斷,，房屋倒塌,，人畜生命遭受損失。龍卷風(fēng)的水平范圍很小,，直徑從幾米到幾百米,，平均為250米左右，最大為1千米左右,。在空中直徑可有幾千米,，最大有10千米。極大風(fēng)速每小時可達(dá)150千米至450千米,，龍卷風(fēng)持續(xù)時間,，一般僅幾分鐘，最長不過幾十分鐘,。 防范措施： 1,、最安全的地方是由混凝土建筑的地下室,。龍卷風(fēng)有跳躍性前行的特點(diǎn),，往往是一會兒著地又一會兒騰空。人們還發(fā)現(xiàn),，龍卷風(fēng)過后會留下一條狹窄的破壞帶,，在破壞帶旁邊的物體即使近在咫尺也安然無恙,，所以人們在遇到龍卷風(fēng)時，要鎮(zhèn)定自若,，積極想法躲避,，切莫驚慌失措。要知道混凝土建筑的地下室才是最安全的地方,。人應(yīng)盡量往低處走,，尤其不能呆在樓房上面。另外相對來說,，小房屋和密室要比大房間安全,。 2、尋找與龍卷風(fēng)路徑垂直方向的低洼區(qū)藏身,。有人如果正巧乘汽車在野外遇到了龍卷風(fēng),，那是非常危險的。因為龍卷風(fēng)不僅可以將沿途的汽車和人吸起“吞食”,，還能使汽車內(nèi)外產(chǎn)生很大的氣壓差而引起爆炸,，所以這時車上的人應(yīng)火速棄車奔向附近的掩蔽處。倘若已經(jīng)來不及逃遠(yuǎn),，也應(yīng)當(dāng)機(jī)立斷,，迅速找一個與龍卷風(fēng)路徑垂直方向的低洼區(qū)(如田溝)隱身。龍卷風(fēng)總是“直來直去”,，好像百米沖刺的運(yùn)動員一樣,，它要急轉(zhuǎn)彎是十分困難的。 3,、跑進(jìn)靠近大樹的房屋內(nèi)躲避,。人們只見到大樹被龍卷風(fēng)連根拔起或攔腰折斷而未發(fā)現(xiàn)被“拋”到遠(yuǎn)處，這大概是樹木有一定的擋風(fēng)作用吧,。1985年6月27日,，內(nèi)蒙古農(nóng)民丁鳳霞家一棵直徑1米多粗、高10多米的大樹被龍卷風(fēng)連根拔起,，附近另兩棵大樹也被折斷,，而距離大樹3米遠(yuǎn)的房屋卻秋毫無損，但距離她家30米遠(yuǎn)處的6間新蓋磚瓦房因旁邊未植樹而遭毀,。由此可見,，房前屋后多植樹可抵御龍卷風(fēng)襲擊。 緊急防范注意事項： 1,、 在家時,，務(wù)必遠(yuǎn)離門、窗和房屋的外圍墻壁，躲到與龍卷風(fēng)方向相反的墻壁或小房間內(nèi)抱頭蹲下,。躲避龍卷風(fēng)最安全的地方是地下室或半地下室,。 2、在電桿倒,、房屋塌的緊急情況下,，應(yīng)及時切斷電源，以防止電擊人體或引起火災(zāi),。 3,、在野外遇龍卷風(fēng)時，應(yīng)就近尋找低洼地伏于地面,，但要遠(yuǎn)離大樹,、電桿，以免被砸,、被壓和觸電,。 4、汽車外出遇到龍卷風(fēng)時,，千萬不能開車躲避,，也不要在汽車中躲避，因為汽車對龍卷風(fēng)幾乎沒有防御能力,，應(yīng)立即離開汽車,，到低洼地躲避。
