要点

• 空气动力学研究流体的运动以及它如何与流动路径中存在的固体物体相互作用。

• 流体的摩擦性质产生剪切应力分布，并且其作用与表面相切。

• 为了确保两种不同的流动动态相似，可以比较压力和剪切应力分布。 

定义空气动力和力矩时，压力和剪切应力分布至关重要

流体动力学的分类，即流体动力学、气体动力学和空气动力学，在我们的日常生活中非常重要。尽管我们大多数人不了解支持这些系统的物理学，但我们仍然喜欢空气动力学的应用。现代飞机就是这样的一个例子。大多数乘飞机旅行的人都不知道飞机的工作原理。他们可能会惊讶地发现飞机飞行是空气动力和力矩的结合。在定义空气动力和力矩时，压力和剪切应力分布至关重要。

在本文中，我们将讨论压力和剪切应力分布及其在某些空气动力学应用中的重要性。

空气动力学的演变

空气动力学的演变与艾萨克·牛顿的经典力学有关。根据牛顿的说法，撞击表面的流体流动将守恒其切向动量，但不会守恒其法向动量。流动并撞击表面的均匀直线粒子流会将法向动量传递到表面。牛顿提出的模型和定律对于大多数流体流动来说并不准确。从丹尼尔·伯努利、伦纳德·欧拉、路易斯·M·纳维和乔治·G·斯托克斯提出的理论出发，空气动力学科学发展成为我们今天所知的东西。 

空气动力学：目标和应用

空气动力学是研究流体的运动以及流体如何与其流路中存在的固体相互作用的学科。在飞机、风洞和车辆等应用中，空气动力体与空气相互作用。 

目标

研究空气动力学的目标有两个：

1. 预测作用在穿过流体的物体上的力和力矩。

2. 确定流经风洞、喷气发动机等管道的内部流体流量。

第一个目标属于外部空气动力学，后者属于内部空气动力学。

应用领域

1. 具有超音速、跨音速或亚音速机翼设计、水平尾翼等的飞机设计。

2. 火车、公共汽车、汽车、船舶、潜艇、直升机等交通工具的设计

3. 喷气发动机中的涡轮、喷嘴和压缩机的设计。

4. 高层建筑、冷却塔和烟囱的设计优化。

5. 风力涡轮机的设计和降噪策略。

6. 数据中心、PC 或笔记本电脑中的热管理或冷却技术。

压力和剪切应力分布在空气动力学中的作用 

空气动力学应用可以基于浸入移动流体中的静止物体或在静止流体中移动的物体。在这两种空气动力学情况下，力和力矩都作用在身体上。力作用于物体的两个来源是：

1. 压力分布 -流体施加的压力分布对主体施加力，并垂直于表面作用。

2. 剪切应力分布 -流体的摩擦性质产生剪切应力分布，并且作用于表面的切向方向。

身体上的净空气动力和力矩是由压力和剪切应力分布产生的。通过对所考虑物体的整个表面上的压力和剪切应力分布进行积分，我们可以计算出合成的空气动力和力矩。例如，在飞机中，气动升力、阻力和力矩是通过对机身上的压力和剪切应力分布进行积分而获得的。

让我们看看机翼上压力和剪切分布产生的升力、阻力和力矩。 

机翼升力、阻力和力矩

在飞机中，机翼的特性是通过不同攻角下的升力系数和阻力系数来测量的。翼型上的阻力等于翼型周围自由气流的动量损失率。产生的阻力是摩擦阻力和压力的组合，也称为形状阻力。

摩擦阻力是剪切应力综合作用的结果，而压力阻力是由压力产生的。升力主要是作用在身体上的压力的影响。翼型上产生的气动力矩也是压力和剪应力分布的函数。

其他用途正在通过分析压力和剪切应力分布而出现。其中一种用途是流相似性识别。 

将流动相似性与压力和剪切应力分布联系起来

空气动力学的研究通常涉及无量纲参数而不是有量纲参数。通常用力和力矩系数，即升力系数、阻力系数和力矩系数来代替力和力矩。这些系数受到各种其他无量纲参数的影响，例如雷诺数、马赫数、普朗特数以及物体的形状和攻角。

在某些空气动力系统中，检查流动相似性很重要。例如，风洞测试就利用了流动相似原理。为了确保两种不同的流动动态相似，可以比较压力和剪切应力分布。当两个不同物体的无量纲压力和剪应力分布相同时，它们具有相同的无量纲力系数。这是检查流体流动的动态相似性的一种方法。

当我们比较两个空气动力系统时，流动相似性很重要。测量身体上的压力和剪切应力分布至关重要，可以使用多种技术来实现这一目标。Cadence 的 CFD 工具套件可以帮助您使用 Pointwise 中的网格划分工具研究和模拟空气动力系统中的流动行为。Cadence 在 Omnis 3D 解算器中为您提供了一整套流体动力学仿真和分析工具。

订阅我们的时事通讯以获取最新的 CFD 更新或浏览 Cadence 的CFD 软件套件（包括Fidelity和Fidelity Pointwise），以了解有关 Cadence 如何为您提供解决方案的更多信息。