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空氣動力學（英語：Aerodynamics），簡稱氣動力學，是力學的一個分支，研究飛行器或其他物體在同空氣或其他氣體作相對運動情況下的受力特性、氣體的流動規律和伴隨發生的物理化學變化。它是在流體力學的基礎上，隨著航空工業和噴氣推進技術的發展而成長起來的一個學科，是航空航天技術最重要的理論基礎之一。

空氣動力學從流體力學發展而來，其發展經歷了低速、高速和新變革3個時期。其中，丹尼爾·伯努利在1738年發表的《流體動力學》一書中，建立了不可壓流體的壓強、高度和速度之間的關系；1755年，數學家歐拉（Euler）得出了描述無粘性流體運動的微分方程，即歐拉運動微分方程。這些微分形式的動力學方程在特定條件下可以積分，得出很有實用價值的結果，如伯努利方程。法國力學家J.le.T.達朗貝爾在不考慮黏性影響的情況下，得到運動不受阻力的佯謬（達朗貝爾佯謬），這一結果引起了很多學者的關注。空氣動力學的研究始于18世紀，早期的研究主要是為了實現重于空氣的飛行，后來空氣動力學的研究重點已經轉向了壓縮流、湍流和邊界層等問題，并且越來越多地采用計算機模擬的方法進行研究。空氣動力學有實驗研究、理論分析和數值模擬三種研究方法，主要原理包括伯努利原理、邊界層理論等。

空氣動力學在航空航天事業的推進下不斷發展應用，同時由于交通、運輸、建筑、氣象、環境保護和能源利用等多方面的發展，出現了工業空氣動力學等分支學科，應用范圍逐漸擴大。

定義區分

空氣動力學作為學術研究內容，屬于流體力學的一個分支。但作為在航天航空領域的應用，空氣動力學的地位甚至超過流體力學本身。空氣動力學作為飛行器設計的先行官，是航空航天領域的最重要的專業之一。按學科方向分類，空氣動力學、氣體動力學、粘性流體力學、計算流體力學等都是流體力學的內容，它們之間有覆蓋，但區分較嚴格：

發展簡史

空氣動力學從流體力學發展而來，大致經歷了三個時期。

低速時期

對空氣動力學的研究，可以追溯到人類早期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世紀后期，荷蘭物理學家克里斯蒂安·惠更斯（Huygens）首先估算出物體在空氣中運動的阻力。當時人類尚未掌握空氣動力學的知識。1726年，牛頓（艾薩克·牛頓）應用力學原理和演繹方法得出：在空氣中運動的物體所受的力，正比于物體運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經典理論的開始，但是過低地估計了升力。

19世紀，空氣-氣體動力學在流體動力學、熱力學和聲學發展的基礎上形成并發展。空氣-氣體動力學的基本方程組出現在1850年前后。英國科學家蘭金（Rankine）在1870年、法國科學家于戈尼奧（Hugoniot）在1887年分別獨立地建立了氣流通過激波所應滿足的關系式，為超音速流場的數學處理提供了正確的邊界條件。1887～1896年間，奧地利科學家馬赫（Mach）在研究彈丸運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，流動速度與當地聲速之比是一個重要的無量綱參數。隨著航空事業的迅速發展，空氣動力學從流體力學中發展出來并形成力學的一個新的分支。航空要解決的首要問題是如何獲得飛行器所需要的升力、減小飛行器的阻力和提高它的飛行速度，這需要從理論和實踐上研究飛行器與空氣相對運動時作用力的產生及其規律。1894年，英國的蘭徹斯特（Lanchester）首先提出無限翼展機翼或翼型產生升力的環量理論和有限翼展機翼產生升力的渦旋理論等。但蘭徹斯特的想法在當時并未得到廣泛重視。

20世紀，空氣動力學完整的科學體系創建，并取得了蓬勃發展。19世紀后半葉的工業革命，蒸氣機的出現和工業葉輪機的產生，使人們萌發建造飛機的想法。約在1901～1910年間，庫塔（Kutta）和茹科夫斯基（Joukowski）分別獨立地提出了翼型的環量和升力理論，并給出升力理論的數學形式，建立了二維機翼理論。1904年，德國的路德維希·普朗特（Plandtl）發表了著名的低速流動的邊界層理論（又名附面層理論）。該理論指出在不同的流動區域中控制方程可有不同的簡化形式，解決了當時無黏空氣動力學的實驗結果之間的矛盾。邊界層理論極大地推進了空氣動力學的發展。1918~1919年，普朗特提出了大展弦比機翼的升力線理論。對于薄翼小擾動問題，阿克萊特（Ackeret）在1925年提出了二維線化機翼理論，后又相應地出現了三維機翼的線化理論。這些超聲速流的線化理論解決了流動中小擾動的影響問題。

在實驗方面，1871年英國韋納姆（ Wenham）建造了第一座開路式風洞，美國萊特（Wright）兄弟1900年建造了一座截面為406×406毫米、長1.8米的風洞，用天平測出機翼升力、全機阻力和壓力中心數據，在這座風洞的空氣動力實驗的基礎上，實現了人類第一次動力飛行。1928年在英國的國家物理實驗室，建造了直徑為78毫米的超聲速風洞。

高速時期

第二次世界大戰前后，由于軍用航空的需要和航天技術的興起，高速空氣動力學得到迅速的發展。在這一階段中科學家建立了亞音速、跨聲速、超聲速和高超聲速無黏流和高速邊界層的系統理論，研究了各類飛行器在不同速度范圍的氣動特性，將空氣動力學的研究內容從力擴展到熱、光和電磁等效應。這些研究成果對突破高速飛行的聲障和熱障起了決定性的作用。1939年，格特爾特（G?thert）提出了亞聲速三維機翼的相似法則，1944年西奧多·馮·卡門（Von Kármán）和錢學森采用速度圖法，研究和導得了比普朗特-葛勞渥（Glauert）法則更為精確的亞聲速相似律公式，1946年錢學森首先提出高超音速相似律。1953年郭永懷研究激波邊界層的相互作用，成功地發展了一種有效的奇異攝動法。1947年，美國國家航空咨詢委員會首先建造試驗段尺寸為304毫米的開槽壁高速風洞，消除壅塞，建立近聲速流，為發展跨聲速風洞奠定了基礎。

在飛行速度或流動速度接近聲速時，飛行器的氣動性能發生急劇變化，阻力突增，升力驟降。飛行器的操縱性和穩定性極度惡化，這就是航空史上著名的聲障。大推力發動機的出現沖過了聲障，但并沒有很好地解決復雜的跨聲速流動問題。20世紀50年代至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，高超聲速流動數值計算也發展迅速。通過研究這些現象和規律，發展了高溫氣體動力學、高速邊界層理論和非平衡流動理論等。20世紀60年代后，由于跨聲速巡航飛行、機動飛行，以及發展高效率噴氣發動機的要求，跨聲速流動的研究更加受到重視，各類超高速實驗設備日臻成熟。

新變革時期

1946年第一臺計算機出現以后，計算機的飛速發展，同樣對空氣動力學產生巨大影響。從20世紀60年代起，研究流體-空氣動力學的數值計算方法蓬勃發展起來，形成了計算流體-空氣動力學這門嶄新的科學，并推進到一個新階段。計算機的發展改變了理論空氣動力學的面貌，計算空氣動力學的出現，使飛行器的空氣動力設計產生重大的變革。計算機作為氣體流動的數學模擬設備，代替部分風洞的作用，并與風洞實驗結合起來。風洞測控技術、儀器、測量項目、種類、精度要求、計算機自動控制和記錄以及結果處理方面，都取得很大的發展。模擬雷諾數的實驗也引起人們的重視。現代適用于各種模擬條件、目的、用途和各種測量方式的風洞已有數十種之多，風洞實驗的內容極為廣泛。

由于在高溫條件下會引起飛行器表面材料的燒蝕和質量的引射，需要研究高溫氣體的多相流。空氣動力學的發展出現了與多種學科相結合的特點。20世紀60年代后期，航天飛機綜合運用航空和航天技術，在飛行器的設計中出現飛機與發動機一體化的需要。空氣動力學還與控制技術結合起來。空氣動力學發展的另一個重要方面是實驗研究，包括風洞等各種實驗設備的發展和實驗理論、實驗方法、測試技術的發展。現代適用于各種模擬條件、目的、用途和各種測量方式的風洞已有數十種之多，風洞實驗的內容極為廣泛。

20世紀70年代以來，激光技術、電子技術和電子計算機的迅速發展，極大地提高了空氣動力學的實驗水平和計算水平，促進了對高度非線性問題和復雜結構（如湍流）的流動的研究。以分離和旋渦流動為主體的大攻角空氣動力學、湍流、可壓縮自由剪切層的轉捩流動、多相流以及數值模擬中各種計算技術和風洞實驗中的測試技術，成為空氣動力學發展中十分活躍的研究領域，在航天器發展中考慮有物理、化學變化的氣體動力學有著很大的進展。此外，工業空氣動力學、環境空氣動力學等分支學科出現。

研究方法

空氣動力學通過理論和實驗的途徑并在理論和實驗結合的過程中發展起來，它有三種研究方法：實驗研究、理論分析和數值模擬。通過這些方法以尋求最好的飛行器氣動布局形式、確定整個飛行范圍作用在飛行器上的力和力矩，以得到其最終性能，并保證飛行器的操縱穩定性。

實驗研究

實驗研究在空氣動力學中有著廣泛的應用，其主要手段是依靠風洞、水洞、激波管以及測試設備進行地面模擬實驗或飛行實驗。風洞因氣流易于控制和便于測量等原因，已成為空氣動力學主要的實驗設備。風洞與計算機的結合可大大增加風洞的實驗能力。地面模擬試驗并不能完全復現真實的飛行條件，因此除地面模擬試驗外，還要利用火箭、試驗飛機和火箭橇等進行模型自由飛試驗和進行真實飛行器的飛行試驗。其優點在于，它能在所研究的問題完全相同或大致相同的條件下進行模擬與觀測，因此所得到的結果較為真實、可靠。但是，實驗研究往往也受到一定的限制，如受到模型尺寸的限制和實驗設備邊界的影響等。此外，實驗測量本身也會影響所得到結果的精度，而且實驗往往要耗費大量的人力和物力。因此這種方法在實際應用中常常會遇到困難。

理論分析

理論分析是在實驗的基礎上建立正確的流動模型。理論分析的特點在于它的科學抽象，能夠用數學方法求得理論結果以及揭示問題的內在規律。然而，由于數學發展水平的限制和理論模型抽象的簡化，理論分析方法常常無法滿足研究復雜實際問題的需要。理論分析方法一般包括以下步驟：

（1）通過實驗或觀察，對問題進行分析研究，找出其影響的主要因素，忽略次要因素，從而抽象出近似的、合理的理論模型；

（2）運用基本定律、原理和數學分析，建立描述問題的數學方程，以及相應的邊界條件和初始條件；

（3）利用各種數學方法準確地或近似地求解方程；

（4）對結果進行分析、判斷，并通過必要的實驗檢驗與修正。

數值模擬

數值模擬廣泛采用有限差分、有限元素、有限基本解等離散點的計算方法。自20世紀70年代以來，隨著大型高速計算機的出現，以及一系列有效的近似計算方法（如有限差分法、有限元法和有限體積法等）的發展，計算流體動力學（computational fluid 動力學，CFD）作為流體力學的一個分支取得了蓬勃發展，數值模擬方法在空氣動力學研究方法中的作用和地位不斷提高。與實驗方法相比，數值模擬方法研究所需費用比較少。對有些無法進行實驗、更不能作出理論分析的問題，采用數值模擬方法進行研究可以得到解決。當然數值模擬方法也有其局限性，有時數值模擬結果精度較差，這也是近年來CFD研究的重點。

主要原理

伯努利原理

伯努利方程即著名的理想流體定常流動的能量方程，自建立以來在流體力學領域中貢獻卓著。1738年瑞士數學世家丹尼爾·伯努利將質點運動的動能定理運用于同一微元流管的兩截面上，導出了表征一元流機械能守恒方程，即著名的理想流體定常流動的能量方程（后稱為伯努利方程）。同時在建立這個方程時，所用的局部跟隨流體質點的分析思想，1755年被瑞士數學家與流體力學家歐拉概括為描述流體運動的流場法，是建立歐拉方程組和N–S方程組的基本依據，也為后來湍流理論、邊界層理論、氣動噪聲等理論的建立奠定了基礎，在流體力學中得到普遍認可和廣泛應用。伯努利方程為人們研究流體運動起到了里程碑的作用，它是流體力學的核心方程，起到靈魂的作用。

伯努利原理指出：流體的壓力會隨著速度的增加而減小，反之亦然。對于理想不可壓縮流體的定常流動，在質量力為重力作用下，伯努利方程表明：沿同一條流線單位重量流體質點所具有的總機械能守恒（單位重量流體質點的位置勢能、壓強勢能和動能之和不變，或總水頭為常數），即：

其中，z 為流體質點的位置，p 為流體質點的壓強，V 為流體質點的速度，γ 為流體容重，g 為重力加速度，H=C 為常數（單位重量流體質點所具有的總機械能，總水頭），如下圖所示。在不計質量力的條件下（空氣的質量密度小，可以忽略重力的影響），此時沿同一條流線單位體積流體質點所具有的壓強勢能和動能之和不變，總壓不變）。

其中，p0 為流體質點的總壓；p 為流體質點的靜壓，后一項為流體質點的動壓。

邊界層理論

邊界層（又叫附面層）是流體力學中經常要涉及的一個概念。對于黏性較小的流體繞流物體，黏性的影響僅限于貼近物面的薄層中，在這薄層之外，黏性的影響可以忽略。路德維希·普朗特把物面上受到黏性影響的這一薄層稱為附面層（或邊界層），并在大雷諾數下附面層非常薄的前提下，對黏性流體運動方程做了簡化，得到了被人們稱為普朗特方程的附面層微分方程。如果以V0表示外部無黏流速度，則通常把各個截面上速度達到Vx=0.99V0或Vx= 0.995V0值的所有點的連線定義為附面層外邊界，而從外邊界到物面的垂直距離定義為附面層厚度δ。

普朗特的邊界層理論研究了低速近壁區薄層內受黏性影響的流動問題，從物理上闡述了繞流物體阻力產生和熱交換等機理問題。邊界層理論的提出，使得許多以前難以求解的問題變得可以求解，只需要在很小的一個區域考慮粘性的影響即可求解納維喬治·斯托克斯方程。而在其他區域，只需要求解勢流或者求解描述無粘性流體運動的歐拉方程。眾所周知，勢流和歐拉方程的求解難度遠遠低于納維-斯托克斯方程。

學科分類

通常所說的空氣動力學研究內容是飛機、導彈等飛行器在各種飛行條件下流場中氣體的速度、溫度、壓力和密度等參量的變化規律，飛行器所受的升力和阻力等空氣動力及其變化規律，氣體介質或氣體與飛行器之間所發生的物理化學變化以及傳熱傳質規律等，故該學科分類可以有幾種方法：

基于上述分類，為航空航天技術服務的空氣動力學主要包括飛行器空氣動力學、非定常空氣動力學、內流空氣動力學和氣動熱力學等內容。

飛行器空氣動力學

針對各類飛行器的特點，研究滿足其性能要求的氣動外形，研究氣動特性隨幾何外形、飛行姿態、馬赫數、雷諾數等基本因素的變化，并提供相應的計算方法。飛行器空氣動力學不僅研究各個單獨部件如機翼、尾翼、控制面、機身以及各類增升裝置等的氣動外形和氣動特性，還研究整個飛行器的氣動布局和氣動特性，并進一步研究飛行器的性能、操縱性和穩定性。

非定常空氣動力學

飛行器的空氣繞流和氣動特性取決于飛行器運動的特點。在穩定運動中，它們不隨時間變化，可以用定常空氣動力學來解決問題。但在研究飛行的動穩定性、大氣湍流的影響、顫振、抖振、地面風載、脈動壓力、噪聲時，必須考慮氣流的不均勻性(例如陣風)、流場的不穩定性（例如分離流動）和飛行器擺動或旋轉造成的繞流的非定常性帶來的影響。根據非定常流動的不同形式，如瞬態型、振蕩型和隨機型等，已出現不同的理論和實驗方法。

內流空氣動力學

研究發動機、風洞、槍炮等受管道限制的內部流動。對于渦輪噴氣發動機，內流空氣動力學研究進氣道和噴管流動、壓氣機和渦輪的葉柵繞流以及在燃燒室內的燃燒和熱交換過程。其他如火箭發動機、沖壓噴氣發動機、渦輪風扇發動機、升力發動機等，都有各自特殊的氣動問題。

氣動熱力學

根據飛行器的運動特點分析氣動加熱的規律和尋找相應的防熱方案。如陡峭再入的彈頭，加熱的速率很高，一般采用燒蝕防熱。高超聲速飛機飛行速度稍低，加熱速率較小，但加熱的時間很長，一般采用冷卻、隔熱等防熱技術。

實際應用

空氣動力學的應用領域十分廣泛，幾乎包括了航空航天和非航空航天中的所有可能應用領域，例如：①運動物體的空氣動力學，包括飛機、導彈、子彈、星體、船舶、汽車、自行車、人體、鳥和昆蟲等；②機械和熱機中的空氣動力學包括螺槳風扇，活塞式發動機與燃燒，渦輪，沖壓，火箭發動機；③工業上散熱器，換熱器，排氣與煙囪系統的空氣動力學；④自然空氣動力學（nature aerodynamics），包括大氣流動和自然過程引起的現象，如自然界中因地表面和海洋不同溫度引起的對流；⑤各類爆炸空氣動力學問題，包括燃料，礦井瓦斯爆炸和火山爆發；⑥等離子體空氣動力學問題，如電弧中的等離子射流（包括等離子體的冶煉技術），電推進火箭等。同時，在應用空氣動力學項目中，通過試驗、計算機模擬、飛行測試和數字工程流程等手段，空氣動力學在產品、分析和技術方面取得了多項重要進展。

航空航天領域

空氣動力學是航空航天最重要的科學技術基礎之一，被譽為發展航空航天飛行器的“先行軍”。在空氣動力學的支持下，航空航天事業創造了彈道導彈、人造衛星、載人航天、月球探測、火星探測等里程碑式的成就。許多重要的物理現象，例如，飛行器的升力和阻力及其形成機理，都可通過空氣動力學加以闡明、分析和計算。歷史上，空氣動力學在推動社會發展和人類文明進步方面做出了重大貢獻，空氣動力學理論的突破為各類航空飛行器的發展奠定基礎。自20世紀初出現以來，能載人的實用飛機發展極其迅速；到50年代末期，有了人造地球衛星；60年代末期已經實現了往返月球的宇宙飛行。人造衛星和載人飛船的主要活動區域遠遠超出大氣層，但這些太空飛行器的起飛和返航仍要穿越大氣層。所以，所有這些飛行器的研制和發展，都需要借助空氣動力學的研究和應用。正如中國科學院院士莊逢甘所說，“有空氣的地方就有空氣動力學”。

空氣動力研究試驗手段的應用，奠定了航空航天空氣動力學發展的基礎，并在之后多種型號航空、航天以及導彈武器的氣動試驗和研究設計中發揮了重要的作用，使相關領域研制高速發展。在各種飛機中，戰斗機具有最高的空氣動力學要求，其技術水平也最能反映航空科學技術的發展情況。第二次世界大戰末期，以空氣動力學為代表的航空科學技術取得了革命性的進展，例如，可壓縮流空氣動力學（后掠翼、進氣道等）以及渦輪噴氣發動機等。這些革命性的技術進步導致了第一代噴氣式戰斗機的誕生，這一代戰斗機在氣動設計方面應用了后掠翼等可壓縮流空氣動力學的研究成果。隨著空氣動力學的發展和進步，各種技術的進展及應用使得第二代噴氣式戰斗機的作戰效能明顯提高，最具代表意義的包括蘇聯的米格-21戰斗機、米格-23戰斗機，美國的F-104戰斗機、F-4，中國的殲-7、殲-8等。第三代戰斗機，在氣動設計方面普遍應用了當時旋渦空氣動力學的研究成果，采用鴨翼或者邊條提供渦升力，使飛機的機動性能得到有效提升，如前蘇聯/俄羅斯的米格-29、蘇-27戰斗機，美國的F-15戰斗機、F-16戰斗機、F-18，中國的殲-10戰斗機，歐洲的幻影2000戰斗機、臺風等。第四代噴氣式戰斗機，在氣動方面采用了氣動/隱身綜合設計，在亞音速減阻和超聲速減阻之間進行了有效的協調和折衷，同時改善了大迎角飛行的穩定性和可控制性。以美國的F-22戰斗機為代表的第四代戰斗機，基本特征可概括為4S，即隱身（Stealth）、超聲速巡航（Supersonic）、超視距攻擊（Superior-sensor）和超機動（Super-agility）。

空氣動力學的應用，也為載人航天工程的實現奠定基礎。如中國航天科技集團航天空氣動力技術研究院成立后，在氣動技術的支撐下開拓了中短程無人機、中大型飛行器以及太陽能高空無人飛行器等特種飛行器研究領域，增強了無人機配套產業化能力，形成了空氣動力、特種飛行器、航天技術應用產業協調發展的良好局面。

現代工業領域

空氣動力學在工業領域中同樣得以應用，工業科研生產中除空氣外，還有很多生產過程中還會遇到很多其它氣體，甚至工業生產中很多原料或中間產物也呈氣體狀態。現代工業有許多與氣流相關的場合，這些方面也要應用流體動力學的原理對問題做深入研究，因而逐漸形成了一門工業空氣動力學。它處理的問題范圍很廣：例如，地面高速交通關鍵技術中的減阻、穩定和降噪問題；渦輪機、軸流式或離心式壓氣機等葉片機中的氣動力問題，鼓風機和高爐中的氣流問題，大建筑物中的采暖散熱器通風問題，高大建筑物的風壓問題，還有自然界的氣象問題也有很大一部分是氣流——風的問題。

其中，空氣動力學在風能工程中有著重要的應用，決定了風工程的經濟性、穩定性和安全性，是風能技術研究的重點和熱點。風能的開發利用是一門綜合性強且多學科高度交叉融合的工程技術，涉及空氣動力學等多學科。真實條件下，風力發動機運行在含大氣/地形湍流和機組尾流的復雜氣流環境中，面臨強非定常、多尺度耦合、流動分離等空氣動力學領域復雜問題。在風能工程中，大氣空氣動力學（屬于氣象學）的主要任務是準確評估風資源，確保風能的合理開發利用；風電場空氣動力學的主要任務是合理布置風電機組，使得風電場經濟效益最大化和風資源利用最合理化。

體育運動領域

空氣動力學在體育（如球類運動）等方面也有應用。足球比賽中的香蕉球的原理是因為足球運動員給足球的一側發力，使其高速旋轉，導致足球兩側的流場不對稱，產生了一個側向力，造成了足球的飛行軌跡彎曲，形成類似香蕉的形狀。同樣對于乒乓球運動來說，選手發的側旋球也有類似的效果，也是利用乒乓球的旋轉使得兩側的流場不對稱，產生了側向力，而側向力的方向與乒乓球的旋轉方向有關，這也是乒乓球運動的一大樂趣。在高爾夫球運動中，表面凹凸不平的高爾夫球比光滑的高爾夫球飛的更遠，阻力更小，這也與空氣動力學有關，是由于高爾夫球的凹凸不平的表面，使得層流受到了擾動，使其由層流轉捩為湍流，并使得分離點后移，將層流邊界層轉變為湍流邊界層，降低了壓差阻力，使得高爾夫球的阻力下降，飛得更遠。

參考資料 >

“爭氣機”殲-10的奮斗路:發動機實現國產空戰力克同代重型機.云南網社會頻道.2024-01-18

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空氣動力學的新問題.經濟發展智庫.2024-01-05

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力學發展大事記.智能材料和振動控制實驗室.2024-01-05

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