要點

• 空氣動力學研究流體的運動以及它如何與流動路徑中存在的固體物體相互作用。

• 流體的摩擦性質產生剪切應力分布，并且其作用與表面相切。

• 為了確保兩種不同的流動動態相似，可以比較壓力和剪切應力分布。 

定義空氣動力和力矩時，壓力和剪切應力分布至關重要

流體動力學的分類，即流體動力學、氣體動力學和空氣動力學，在我們的日常生活中非常重要。盡管我們大多數人不了解支持這些系統的物理學，但我們仍然喜歡空氣動力學的應用。現代飛機就是這樣的一個例子。大多數乘飛機旅行的人都不知道飛機的工作原理。他們可能會驚訝地發現飛機飛行是空氣動力和力矩的結合。在定義空氣動力和力矩時，壓力和剪切應力分布至關重要。

在本文中，我們將討論壓力和剪切應力分布及其在某些空氣動力學應用中的重要性。

空氣動力學的演變

空氣動力學的演變與艾薩克·牛頓的經典力學有關。根據牛頓的說法，撞擊表面的流體流動將守恒其切向動量，但不會守恒其法向動量。流動并撞擊表面的均勻直線粒子流會將法向動量傳遞到表面。牛頓提出的模型和定律對于大多數流體流動來說并不準確。從丹尼爾·伯努利、倫納德·歐拉、路易斯·M·納維和喬治·G·斯托克斯提出的理論出發，空氣動力學科學發展成為我們今天所知的東西。 

空氣動力學：目標和應用

空氣動力學是研究流體的運動以及流體如何與其流路中存在的固體相互作用的學科。在飛機、風洞和車輛等應用中，空氣動力體與空氣相互作用。 

目標

研究空氣動力學的目標有兩個：

1. 預測作用在穿過流體的物體上的力和力矩。

2. 確定流經風洞、噴氣發動機等管道的內部流體流量。

第一個目標屬于外部空氣動力學，后者屬于內部空氣動力學。

應用領域

1. 具有超音速、跨音速或亞音速機翼設計、水平尾翼等的飛機設計。

2. 火車、公共汽車、汽車、船舶、潛艇、直升機等交通工具的設計

3. 噴氣發動機中的渦輪、噴嘴和壓縮機的設計。

4. 高層建筑、冷卻塔和煙囪的設計優化。

5. 風力渦輪機的設計和降噪策略。

6. 數據中心、PC 或筆記本電腦中的熱管理或冷卻技術。

壓力和剪切應力分布在空氣動力學中的作用 

空氣動力學應用可以基于浸入移動流體中的靜止物體或在靜止流體中移動的物體。在這兩種空氣動力學情況下，力和力矩都作用在身體上。力作用于物體的兩個來源是：

1. 壓力分布 -流體施加的壓力分布對主體施加力，并垂直于表面作用。

2. 剪切應力分布 -流體的摩擦性質產生剪切應力分布，并且作用于表面的切向方向。

身體上的凈空氣動力和力矩是由壓力和剪切應力分布產生的。通過對所考慮物體的整個表面上的壓力和剪切應力分布進行積分，我們可以計算出合成的空氣動力和力矩。例如，在飛機中，氣動升力、阻力和力矩是通過對機身上的壓力和剪切應力分布進行積分而獲得的。

讓我們看看機翼上壓力和剪切分布產生的升力、阻力和力矩。 

機翼升力、阻力和力矩

在飛機中，機翼的特性是通過不同攻角下的升力系數和阻力系數來測量的。翼型上的阻力等于翼型周圍自由氣流的動量損失率。產生的阻力是摩擦阻力和壓力的組合，也稱為形狀阻力。

摩擦阻力是剪切應力綜合作用的結果，而壓力阻力是由壓力產生的。升力主要是作用在身體上的壓力的影響。翼型上產生的氣動力矩也是壓力和剪應力分布的函數。

其他用途正在通過分析壓力和剪切應力分布而出現。其中一種用途是流相似性識別。 

將流動相似性與壓力和剪切應力分布聯系起來

空氣動力學的研究通常涉及無量綱參數而不是有量綱參數。通常用力和力矩系數，即升力系數、阻力系數和力矩系數來代替力和力矩。這些系數受到各種其他無量綱參數的影響，例如雷諾數、馬赫數、普朗特數以及物體的形狀和攻角。

在某些空氣動力系統中，檢查流動相似性很重要。例如，風洞測試就利用了流動相似原理。為了確保兩種不同的流動動態相似，可以比較壓力和剪切應力分布。當兩個不同物體的無量綱壓力和剪應力分布相同時，它們具有相同的無量綱力系數。這是檢查流體流動的動態相似性的一種方法。

當我們比較兩個空氣動力系統時，流動相似性很重要。測量身體上的壓力和剪切應力分布至關重要，可以使用多種技術來實現這一目標。Cadence 的 CFD 工具套件可以幫助您使用 Pointwise 中的網格劃分工具研究和模擬空氣動力系統中的流動行為。Cadence 在 Omnis 3D 解算器中為您提供了一整套流體動力學仿真和分析工具。

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