什么是环境空气动力学?

什么是环境空气动力学?

[拼音]：huanjing kongqi donglixue

[外文]：environmental aerodynamics

环境物理学的一个分支。自然界中的空气，由于受到地球旋转作用、地心引力作用和太阳辐射作用等，进行着十分复杂的运动。环境空气动力学就是运用流体力学的基本理论和研究方法，研究自然界中大尺寸气体运动的规律，以及运动着的气体相互之间以及与周围物体之间的受力、受压、受热、相变和扩散机理、变形特性的一门新学科。

环境空气动力学这一概念是英国的理论力学教授R.S.斯科勒在1957年提出来的。随着工业、航空和航天技术以及计算技术的迅速发展，一方面对环境空气动力学提出了许多新的研究课题；另一方面为环境空气动力学的研究提供了有力的观测手段。1977年斯科勒出版了专著《环境空气动力学》，标志着环境空气动力学的研究有了新的进展。

研究自然界的流体运动，须要求解流场中各点的温度、压力、密度、速度、加速度等物理参数，寻找出它们之间的相互关系。对于无旋、无粘性的理想流体来说，可根据质量守恒定律推导出连续方程；根据牛顿第二运动定律推导出动量方程。一维的、无旋、无粘性的理想流体的动量方程，就是伯努利方程：


，式中Po和P分别为流场中某一点的流体总压和静压；v为流体速度;ρ为流体密度。这个公式的物理意义是流场中任何一点的总压等于该点的静压和动压之和。用这个公式可以解释环境空气动力学中发生的许多物理现象。但是自然界的流体是有粘性的、有旋度的，处理这种流体运动时，要用纳维-斯托克斯方程，它的向量表示式为:

式中V为流体运动的速度向量，F 为流场中力向量，ν是流体运动粘性系数。对于一维的简单的粘流问题，如粘流在圆管中的流动，可以用纳－斯方程求解。对于二维、三维的粘流问题的处理方法是把问题分为两部分，即把靠近物体边界的那一薄层的流体当作粘流，通常称为附面层；附面层以外的流体当作无粘的理想流来处理，然后再作粘流修正。

在自然界中，当流体流过圆柱或圆球时，如果雷诺数不太大，会在圆柱表面产生分离并在尾部产生一个涡系，称为卡门涡街（见气流噪声）。图1是在水洞中圆柱体尾迹形成的卡门涡街，是用漂浮在水洞表面的微小气泡（由洗涤剂与空气搅拌产生的）显示出来的。强风吹过高烟囱、高层建筑物时也会产生卡门涡街。如果涡街排列不对称，就会产生不稳定冲击，引起建筑物的涡振动。在环境空气动力学中经常使用涡量这个概念。涡量是个向量，它的大小为微团旋转角速度的二倍，方向是用右手定则法拇指所指的方向为涡量的方向。涡量的概念在研究漂浮运动和云街产生的机理时很有用。图 2是空中拍摄的英国牛津郡上空出现的云街照片。图 3是云街出现的机理示意图。由于摩擦阻力和地面地形的不同，气流中出现不同旋转方向的涡量，而上层的空气在风的剪切作用下，出现波浪形的流动，结果在凝结线上方出现了云街。

研究内容

环境空气动力学还包含如下研究内容：

（1）研究在地球的自转作用、重力作用和太阳辐射作用下引起的大气相变和对流，以及由此而产生的风、云、雨、雾等自然现象的机理。

（2）研究分层气体（如大气中的密度和温度的分层结构）的运动规律以及产生波和波涛的机理。

（3）研究大气的湍流、飘浮对流、沉降动力等，以便弄清自然界中气体质量和固体质量迁移的机理。这对研究污染物传输、扩散的规律和机理，以及防止污染的措施有用。

（4）研究生命的空气动力环境，弄清大气运动对人类以及鸟类和昆虫的影响。图 4为沙漠蝗虫群随风前进的状况。图中给出风的速度剖面，上部速度大，因此虫群飞得远而快。研究表明，把杀虫剂直接喷入飞行中的虫群内，约有50％被虫群吸收，杀虫效率比喷在庄稼上高得多，而且可以大大减少杀虫剂对环境的污染。

研究方法

环境空气动力学常用的研究方法有理论分析、现场观测和实验室模拟三种。

参考书目

R.S.Scorer，Environmental Aerodynamics，Halsted Press，London，1977.