공기역학은 역학의 한 갈래로, 비행체나 다른 물체가 공기나 다른 기체와 상대 운동을 하는 상황에서의 수력 특성, 기체의 유동 법칙과 이에 수반하여 발생하는 물리화학적 변화를 연구합니다. 유체역학의 기초 위에서 항공산업과 제트추진 기술의 발달로 성장한 학과입니다.
공기역학에 대한 연구는 새나 탄환이 비행할 때 받는 힘과 힘의 작용 방식에 대한 인류의 초기 추측으로 거슬러 올라갑니다. 17세기 후반, 네덜란드의 물리학자 후이겐스(Huygens)가 먼저 공기 중에 움직이는 물체의 저항을 추산했습니다. 1726년, 뉴턴(Newton)은 역학원을 응용했습니다. 이화연역방법에서 도출한 것: 공기 중에서 운동하는 물체가 받는 힘은 물체의 운동속도의 제곱과 물체의 특징면적 및 공기의 밀도에 비합니다. 이 일은 볼 수 있습니다. 공기역학 고전 이론의 오픈입니다. 1755년, 수학자 오일러(Euler)의 설명이 나왔습니다. 무점성 유체의 운동입니다. 미분방정식, 즉 오일러입니다. 운동 미분 방정식입니다. 이러한 미분 형식의 동역학적 방정식은 특정한 조건에서 적분될 수 있습니다. 베누이 방정식과 같은 실용적 가치를 지닌 결과를 도출합니다. 프랑스의 역학자 J.le.T. 달랑베르가 점성의 영향을 고려하지 않고 운동을 하는 것이 저항받지 않는다는 시비(달랑베르는 시비)로 많은 학자들의 관심을 끌었고, 19세기 전반에는 프랑스의 나비에(Navier)와 영국의 스토크스(Stokes)가 점성의 압축불가 유체운동량 보존을 기술하는 운동방정식을 제시하여 나비-스토크스(Navier-Stokes)라고 불렀습니다.
19세기 말에 이르러서는 고전적 유체역학의 기초가 형성되었습니다. 20세기 이래 항공사업이 급속히 발전함에 따라 공기역학은 유체역학에서 발전하여 역학의 새로운 분파를 형성하게 되었는데, 이 과정에서 폰카르멘은 공기역학의 발전에 중요한 역할을 하였습니다.
항공이 해결해야 할 첫 번째 문제는 비행체가 필요로 하는 승력을 어떻게 얻고, 비행체의 저항을 줄이며, 그 비행 속도를 향상시키는 것입니다. 이것이 곧 비행체가 공기와 마주보고 운동할 때 작용력의 발생과 그 법칙을 이론적, 실천적으로 연구해야 합니다. 1894년 영국의 랜체스터(Lanchester)가 무(無)를 처음 제안했습니다. 한정익전개 날개 또는 날개형에서 승력이 발생하는 환량 이론과 한정익전개 날개에서 승력이 발생하는 와선 이론 등이 있습니다. 근데 랜체스터의 생각은 그때는 아니었습니다.
약 1901~1910년 사이에 쿠타와 주코프스키는 각각 독립적으로 날개 모양의 고리 양과 승력이론을 제시하고 승력이론의 수학적 형식을 제시해 2차원 날개 이론을 세웠습니다. 1904년 독일의 플랑트르(Plandtl)가 저술을 발표했습니다. 저속으로 흐르는 경계층 이론(일명 표면층 이론)이라고 합니다. 이 이론은 서로 다른 유동 영역에서 방정식을 제어할 때 서로 다른 간략화된 형식을 가질 수 있음을 지적합니다.
경계층 이론은 공기역학의 발전을 크게 추진했습니다. 플랑트는 또 유한익전시의 3차원 날개 이론을 체계화해 수학적 결과를 제시함으로써 유한익전시의 승력선 이론을 창시했습니다. 그러나 실속이나 백스틸, 작은 퍼즐비 등에는 적용할 수 없습니다. 1946년 미국의 존스(Jones)가 제안했습니다. 작은 전현비 날개 이론, 이 이론과 경계층 이론을 이용하여 날개 위의 압력 분포와 표면 마찰 저항을 충분히 정확하게 구할 수 있습니다.
오스트리아-체코 물리학자이자 철학자 에른스트 마흐
근대 항공과 제트 기술의 급속한 발전은 비행 속도를 급격히 높였습니다. 고속 운동 상황에서 반드시 유체역학과 열역학이라는 두 학과를 결합시켜야만 고속 공기역학에서의 문제를 정확히 인식하고 해결할 수 있습니다. 1887~1896년 오스트리아의 과학자 마하(Mach)가 탄환을 연구했습니다. 운동 교란 전파 시 지적: 소리의 크기보다 작거나 큰 다른 흐름에서 탄환에 의한 교란 전파의 특징은 근본적으로 다릅니다. 고속의 흐름 속에서 흐릅니다. 움직이는 속도와 현지 음속의 비율은 동일합니다. 중요한 무량강 매개변수입니다. 1929년 독일의 공기역학자입니다.
작은 요동이 초음파 속류에 전파되어 제한된 양의 돌풍인 격파를 이루게 됩니다. 많은 실제 초음파 흐름에서도 격파가 존재합니다. 단열 상황에서 기류가 격파장을 통과하여 삼량이 갑자기 도약하고 엔트로피가 증가하여 총 에너지가 그대로 유지됩니다.
영국 과학자 랭킨은 1870년, 프랑스 과학자 휴고니오트는 1887년 각각 독립적으로 기류가 격파를 통해 충족해야 할 관계식을 만들어 초음파 속류장의 수학적 처리에 올바른 경계조건을 제공했습니다. 얇은 날개에 작은 소동 문제에 대해서 애클렛은 아크라이트(Arkwright)는 1925년 2차원 선화 날개 이론을 제안했고, 이후 3차원 날개의 선화 이론이 등장했습니다. 이 초음파 속류의 선화 이론원들입니다. 유동적인 작은 요동을 가득히 해결해 준 것입니다
비행 속도나 유동 속도가 음속에 가까워지면 비행체의 공기 동력에 급격한 변화가 생기고 저항이 갑자기 증가하며 승력이 뚝 떨어집니다. 조종성과 안정성이 극도로 악화된 비행체의 조종성은 항공사상 유명한 음향장애입니다. 대추력 엔진의 출현이 음향 장벽을 넘었지만 복잡한 크로스보드의 흐름 문제를 제대로 해결하지는 못했습니다. 1960년대 이후까지 트랜스퍼 스피드 순항 비행, 기동 비행, 그리고 고효율 제트 엔진의 발전 요구로 트랜스퍼 스피드 흐름의 연구 연구 연구따지고 보면 더욱 중시되고, 또 있습니다.
인공위성의 연구 개발은 공기역학의 발전을 촉진합니다.
장거리 미사일과 인공위성의 개발은 고초음속 공기역학의 발전을 촉진했습니다. 50년대에서 60년대 초까지 초고음속 무점류 이론과 기동력 공정 계산 방법을 확립했습니다. 60년대 초 고초음속 유동 수치 계산도 급속히 발전했습니다. 이러한 현상과 법칙을 연구함으로써, 고온의 기운을 발전시켰습니다. 기체역학, 고속경계층 이론, 비평형 유동 이론 등이 있습니다.
고온 조건에서는 비행체 표면 재료의 소식과 질량의 인사를 일으키기 때문에 고온 가스의 다상류를 연구해야 합니다. 공기역학의 발달은 다양한 학과와 결합된 특징이 나타나고 있습니다. 공기역학 발전의 또 다른 중요한 방면은 실험 연구입니다. 풍동 등 각종 실험 설비의 발전과 실험 이론, 실험을 포함합니다. 방법, 테스트 기술의 발전입니다. 세계 최초의 풍동은 영국의 웬햄(Wenham)이 1871년에 만들었습니다. 오늘까지 여러 가지로 적용됩니다. 조건, 목적, 용도, 각각을 시뮬레이션합니다. 일종의 측정 방식의 풍동은 이미 수십 가지나 됩니다. 풍동 실험의 내용은 매우 높으며 광범위합니다.
1940년대 후반의 풍동제어 시스템은 초기 간단한 손 제어 장비에서 일부 전자 제어 장비로 발전했습니다. 60년대 이래로 풍동측정기술, 기기, 측정항목, 종류, 정밀도 요구, 컴퓨터 자동제어와 기록 및 결과처리 방면에서 많은 발전이 있었습니다. 르노의 수를 시뮬레이션하는 실험입니다.사람들의 관심을 끌기도 합니다.
1970년대 이래 레이저 기술, 전자 기술, 전자 컴퓨터의 급속한 발전은 공기역학의 실험 수준과 계산 수준을 크게 향상시켰으며, 고도의 비선형 문제와 복잡한 구조(예: 난류)의 흐름에 대한 연구를 촉진시켰습니다.
이와 같은 항공우주사업의 발전으로 공기역학의 발전이 추진되고 있는 것 외에도 60년대 들어 교통, 수송, 건축, 기상, 환경보호, 에너지 이용 등 다방면의 발전으로 산업공기역학 등의 지학문이 생겨나고 있습니다.
분류
일반적으로 말하는 공기역학 연구 내용은 항공기, 미사일 등의 비행체가 각종 비행조건 하류장에서 기체의 속도, 온도, 압력 및 밀도 등의 변화 법칙, 비행체가 받는 승력과 저항 등의 공기 동력과 그 변화 법칙, 기체 매체 또는 기체와 비행체 사이에 발생하는 물리화학적 변화 및 전달입니다. 열전달 법칙 등입니다. 이러한 의미에서 공기역학은 두 가지 분류법을 가질 수 있습니다.
1) 공기역학은 유체 운동의 속도 범위 또는 비행체의 비행 속도에 따라 저속 공기역학과 고속 공기역학으로 나눌 수 있습니다. 보통 400km/h(이는 지상 1atm, 288.15K 아래 0.3Ma에 가까운 값)의 속도를 경계선으로 삼습니다. 저속 공기역학에서, 가스 매질은 압축 불가능한 것으로 간주할 수 있으며, 이에 대응하는 흐름을 압축 불가능한 흐름이라고 합니다. 이 속도보다 큰 흐름은 기체를 고려해야 합니다. 압축성 영향과 기체 열력입니다. 역학적 특성의 변화에 해당됩니다. 고속 공기역학의 흐름을 압축 가능한 유동이라고 합니다.
2) 유동 중에 반드시 가스 매체의 점성을 고려해야 하는지에 따라 공기역학은 이상 공기역학(또는 이상 기체역학)과 점성 공기역학으로 나눌 수 있습니다.
상술한 분류 외에도 공기역학에는 변연성 분과가 있습니다. 예를 들어 희박 가스역학, 고온 가스역학 등이 있습니다.
내용 연구
저속 공기역학에서, 매체 밀도의 변화가 매우 적으며, 상수라고 볼 수 있습니다. 기본 이론은 무점 2차원 및 3차원 위세류, 날개 이론, 승력선 이론, 승력면 이론, 저속 경계층 이론 등입니다. 아성속 유동에 대하여 무점위세 유동은 비선형 타원형 편미분 방정식에 복종합니다. 이론과 근사 방법으로는 작은 교란선화 방법이 있습니다. 플랑트-그라우어 탈법칙, 카르멘-첸쉐센 공식과 속도도법은 점성 유동에 있어서 압축 가능한 경계 계층의 이론이 있습니다. 초속 유동에 대하여 점 유동이 없습니다복종하는 방정식은 비선형 쌍곡형 편미분방정식입니다.
초음파 흐름에서 기본적인 연구 내용은 압축파, 팽창파, 격파, 플랑트-마이어 흐름(압축파와 팽창파의 기본 관계 모델과 그 함수 모형), 추형류 등입니다. 주요 이론적 처리 방법으로는 초음파 소요동이론, 특징선법, 고속경계층 이론 등이 있습니다. 크로스보드는 점착이 없습니다.외류와 내류로 나뉘며 유동 변화가 복잡합니다. 유동의 제어 방정식은 비선형 혼합형 편미분 방정식입니다. 이론적으로 해결의 어려움이 큽니다.
초고음속 유동의 주요 특징은 높은 마하수와 큰 에너지입니다. 이러한 특징은 유동은 일반적인 초음속 유동에는 없는 유체 동력의 특징과 물리화학적 변화를 가지고 있다는 것입니다. 고초음속의 흐름에서 실제 기체 효과와 격파와 경계층의 상호 간섭 문제가 중요해졌습니다. 고초음속 유동은 점착 흐름과 고초음속 점착이 없습니다.
산업공기역학은 주로 대기경계권에서 바람과 각종 구조물 및 인간의 활동간의 상호작용과 대기경계권 내풍의 특성, 바람이 건축물에 미치는 역할, 바람에 의한 질적 이동, 바람이 수송차량에 미치는 역할과 풍력에너지 이용, 그리고 저층대기의 유동특성과 각종 미세먼지의 대기중 확장에 대해 연구합니다. 산의 법칙, 특히 물살이 퍼지는 법칙, 등등입니다.
연구방법
공기역학적 연구는 이론과 실험 두 가지로 나누어집니다. 이론과 실험 연구 양자는 서로 밀접하게 결합하여 상부상조합니다. 이론 연구소가 근거한 일반적인 원리는 다음과 같습니다. 운동학에서는 질량 보존 법칙, 동역학에서는 뉴턴 제2법칙, 에너지 전환과 전달에서는 에너지 보존 법칙, 열역학열역학 제1 및 제2법칙을 따릅니다. 매질 속성에서는 해당 기체 상태 방정식과 점성, 열전도성의 변화 법칙 등을 따릅니다.