空氣動力學同氣象學、氣候學、結構動力學、建築工程等相互滲透而形成的一門新興學科，主要研究在大氣邊界層中風與人類活動及其勞動產物間的相互作用規律。工業空氣動力學一詞最早見於20世紀60年代初，迄今仍在歐洲使用。在美國和其他一些地區自70年代起已逐漸被“風力工程”一詞取代。
基本介紹
- 中文名：工業空氣動力學
簡介,研究內容,① 風在大氣邊界層內的特性,② 風對建築物和構築物的作用,③ 建築或建築群所誘致的局部風場,④ 風引起的質量遷移,⑤ 風對運輸系統的作用,⑥ 風能資源的利用,⑦ 風對社會和經濟的影響,⑧ 其他,研究方法,
簡介
工業空氣動力學，就是地面上的空氣動力學，比如汽車拿到風洞裡吹風，可以觀察汽車周圍的氣流形態，然後設計改形，阻力減小來節省汽油，減少噪音。大城市的建築群布局不合理，樓間會形成很強的風場，在北京的大風天尤為如此，橋樑也面臨類似的問題，特別是氣流的波動頻率和建築物的固有振動頻率相近，就會使建築物強烈振動，比如水泥鋼筋的橋樑，就會被看不見摸得著的風兒給吹折了。
空氣動力學同氣象學、氣候學、結構動力學、建築工程等相互滲透而形成的一門新興學科，主要研究在大氣邊界層中風與人類活動及其勞動產物間的相互作用規律。工業空氣動力學一詞最早見於20世紀60年代初，迄今仍在歐洲使用。在美國和其他一些地區自70年代起已逐漸被“風力工程”一詞取代。
研究內容
工業空氣動力學的研究內容目前主要有下述八個方面：
① 風在大氣邊界層內的特性
緊靠地球表面300～1000米範圍內的空氣層稱為大氣邊界層。在此層內，由於湍流的作用，地面摩擦阻力的影響得以向上傳遞，這種影響直到邊界層外緣的自由大氣處方可忽略。從空氣動力學的角度看，大氣邊界層氣體流動（即風）的特點是：平均風速隨離地面高度的增加而增大，風向逐漸偏轉，溫度隨高度變化，氣流的湍流度可達20%，因而必須考慮其湍流結構。這些特性在近地面的 100米內比較清楚，在外層則須進一步研究。至於颱風、龍捲風、低空急流和雷暴等的特性則了解得較少。
② 風對建築物和構築物的作用
這是工業空氣動力學最早的研究內容。其中包括風對房屋、橋樑、煙囪、電視塔、空中電纜、雷達天線、冷卻塔和廣告牌等的作用，如平均風載荷、脈動風載荷、風振、通風和熱損失等。風振是由於來流中的湍流脈動或脫體旋渦下曳或馳振等引起的。物體的振動又反過來影響風的作用力。結構的正確設計須考慮在不同情況下這些靜載荷和動載荷以及它們相互的作用，並研究如何採取措施防止發生共振。此外，確定果園、森林等的種植布置方式以避免風害，也是這方面研究的課題。
③ 建築或建築群所誘致的局部風場
這項研究的目的是使環境的布置更能滿足人們的需要，也為建築物頂部或附近是否適合建立直升飛機場提供依據。此外，還探討改變或控制風場的措施。
④ 風引起的質量遷移
（這包括氣體、液體或固體）的遷移、大氣污染物的排放、擴散和彌散規律，它們同污染濃度的預測和環境質量的評價有密切關係。掌握這些規律就能採取措施減輕環境污染。這需要人們對於在不同的氣象和不同的地形地貌（特別是複雜的城市環境、高樓夾道和山區等處）條件下的大氣湍流擴散規律進行研究。另外，防止沙漠的遷移，雪在公路、建築物附近的堆積和種子的傳播等，也都是重要的研究課題。
⑤ 風對運輸系統的作用
如汽車、火車等氣動特性和減阻等。在車輛高速行駛時，空氣阻力可占總阻力50%以上，阻力的大小不僅同車身外形有關，也同冷卻水箱的設計、空氣在車架下方的流動有關。此外，車輛所受舉力，轉彎和剎車性能，高速火車在受到側風和通過隧道以及會車（在一米以內）時的氣流問題，船舶水上部分的氣動性能等，也都是研究的對象。（見車輛空氣動力學）
⑥ 風能資源的利用
風是一種清潔的可更新能源。幾千年來人們一直利用風帆行舟和風車提水。當前能源緊張，開發風能更有現實意義。研究用於發電或提水的不同類型的風輪機的氣動特性（見風能利用），包括由風引起的輪機和塔架的振動，都是重要的研究課題。
⑦ 風對社會和經濟的影響
近年來有的國家由於風災造成的損失每年高達五億美元，而且數字還在增大。人們對風振和風引起的噪聲的不安全感，大氣污染和能源的利用等問題對社會、經濟、心理、生理等的影響都需要進行綜合考慮，其中還包括制定法律和規定製度等。
⑧ 其他
指一些未成熟和未發展成為專門的學科分支的項目，如體育運動中的一些空氣動力學問題的研究等。
研究方法
大致可分為現場觀測、實驗室模擬和理論分析(包括數值計算)三種。目前還難於直接從納維－斯托克斯方程和相應的邊界條件、初始條件出發求解析解或數值解，困難主要在於如何建立剪下湍流（見湍流理論）的數學模型。但這種理論分析即使還不能得到實用的結果，也有助於對流動現象及其機理的理解。現場的全尺寸實測是最基本的科學實驗，是檢驗實驗室模擬和理論分析的基礎，但實測條件難以控制，所需的人力、物力和財力較大，歷時較久。所以，目前工業空氣動力學問題的研究主要靠實驗室模擬，特別是利用風洞。為使實驗室模擬所得到的結果能符合實際，兩者必須滿足幾何相似和動力、熱力相似，即要求它們具有相同的相似參數，如雷諾數、理查孫數(見環境空氣動力學)、羅斯比數（見地球流體力學）等；但首先須使模擬的氣流是大氣邊界層氣流。為此，人們建造了具有溫度層結的長實驗段“大氣邊界層風洞”，或者用人工加速形成邊界層，使原供航空設計用的短實驗段風洞獲得新的套用。此外，也可利用密度分層(如不同鹽度)的水槽來模擬溫度層結。在模擬實驗中風向偏轉模擬問題尚未解決，颱風和龍捲風的模擬則剛剛開始，很多模擬和測量技術有待進一步完善。
