(Fr.: aérodynamique; Du.: Aerodynamik; Eng.: aerodynamics) of stromingsleer, deelgebied van de mechanica dat zich bezighoudt met de bestudering van stromingen van lucht en andere gassen om lichamen (profielen, vleugels) door begrensde lichamen (buizen, kanalen) en in de vrije atmosfeer. De aërodynamica vormt één onderdeel van de aëromechanica.
Indeling.
De aërodynamica kan op verschillende wijzen worden ingedeeld. Een eerste indeling betreft het onderscheid tussen de theoretische aërodynamica, waarin de wetten worden onderzocht die de stroming beheersen en theorieën worden ontwikkeld om stromingen te voorspellen, en de experimentele aërodynamica die tot doel heeft de waarneming en de meting van stromingen van lucht en andere gassen.
Een tweede indeling heeft betrekking op de invloed van de samendrukbaarheid van de lucht (gas) op de stroming: men onderscheidt hierbij de aërodynamica van onsamendrukbare stromingen en de aërodynamica van samendrukbare stromingen (zie tabel). Zolang de snelheden in de stroming klein zijn t.o.v. de geluidssnelheid in de stromende middenstof, zijn de veranderingen van de dichtheid in het stroomveld zó gering, dat deze grootheid met goede benadering constant kan worden aangenomen, zoals dit voor een vloeistof het geval is. De aërodynamica voor stromingen met deze lage snelheden is in wezen gelijk aan de hydrodynamica.
Bij hogere snelheden treden belangrijke variaties in de dichtheid van de lucht (of gas) in de stroming op. De aërodynamica voor samendrukbare middenstoffen wordt gasdynamica genoemd. De grens tussen onsamendrukbaar en samendrukbaar wordt meestal gelegd bij een snelheid van ca. 100...150 m s−1 (getal van Mach ca. 0,3...0,5).
Bij een derde indeling worden de snelheden in de stroming nader onderscheiden naar hun grootte ten opzichte van de geluidssnelheid. Als karakteristieke grootheid wordt hierbij het getal van Mach gebruikt: M = V/a, waarbij V de vliegsnelheid (of snelheid van de ongestoorde stroming ver vóór het lichaam) en a de geluidssnelheid in de atmosfeer voorstelt. Het getal van Mach bepaalt o.a. de invloed van de samendrukbaarheid van de lucht (of gas) op de stroming. Is M < 0,3...0,5, dan kan de invloed van de samendrukbaarheid worden verwaarloosd, doch bij hogere getallen van Mach is dit niet langer toelaatbaar.
Naar de grootte van het getal van Mach worden onderscheiden:
subsone snelheden (0 < M < 0,8)
transsone snelheden (0,8 < M < 1,4)
supersone snelheden (1,4 < M < 5)
hypersone snelheden (M > 5).
Ook spreekt men van subsone, transsone, supersone en hypersone stromingen, aërodynamica, vliegtuigen enz.
Behalve het getal van Mach dat betrekking heeft op de vliegsnelheid van het lichaam, kent men ook het zgn. lokale getal van Mach M = V/a, waarin V de plaatselijke stroomsnelheid en a de plaatselijke geluidssnelheid is in een punt van het stroomveld. De stroomsnelheid in een punt wordt subsoon genoemd als M* < 1, en supersoon als M* > 1 is. In een subsone stroming is in alle punten van het stroomveld voldaan aan de voorwaarde M* < 1; in een supersone stroming geldt overal M* > 1. In een transsone stroming komen zowel omvangrijke gebieden met M* < 1 als met M* > 1 voor.
Als bijzondere gebieden der aërodynamica kunnen nog worden genoemd de superaërodynamica (aërodynamica van zeer ijle gassen) en de magnetohydrodynamica (afgekort MHD) of magnetoaërodynamica (aërodynamica van elektrisch geleidende vloeistoffen of gassen).
Theoretische aërodynamica.
In de theoretische aërodynamica wordt gebruik gemaakt van vereenvoudigende veronderstellingen, die het mogelijk maken bepaalde stromingswetten te formuleren en de eigenschappen van stromingen door berekening te bepalen. Deze veronderstellingen hebben in het bijzonder betrekking op de aard van de stromende middenstof. In het algemeen wordt aangenomen dat de middenstof homogeen en continu is, d.w.z. dat haar eigenschappen bij splitsing in de kleinst denkbare deeltjes dezelfde blijven. In het eenvoudigste geval wordt de middenstof bovendien onsamendrukbaar en niet-viskeus (d.w.z. zonder inwendige wrijving of taaiheid) verondersteld. In dit geval spreekt men van klassieke hydrodynamica.
De wetten van de klassieke hydrodynamica kunnen worden geformuleerd uitgaande van de wet van het behoud van volume (of massa) en de bewegingswet van Newton. Een verdere vereenvoudiging wordt verkregen door te veronderstellen dat de stroming stationair is, d.w.z. dat de stromingstoestand in elk punt van de stroming geen verandering met de tijd ondergaat; of door beperking van het aantal richtingen waarin de verandering van de stromingstoestand wordt beschouwd (in plaats van drie slechts één of twee richtingen, zgn. één- en twee-dimensionale stromingen).
In de klassieke hydrodynamica kunnen vele problemen langs mathematische weg tot oplossing worden gebracht, waarbij gebruik wordt gemaakt van de begrippen: potentiaalstroming, bron en put, circulatiestroming, wervel enz. De berekening van de draagkracht en de geïnduceerde weerstand van vleugels bijv. is langs deze weg mogelijk. Andere vraagstukken waarbij de viscositeit van de middenstof een beslissende rol speelt, kunnen niet met de klassieke hydrodynamica worden opgelost; zo heeft bijv. een lichaam zonder draagkracht (bol, cilinder enz.) volgens deze theorie geen weerstand (paradox van d’Alembert).
Stromingen van viskeuze middenstoffen om lichamen kunnen worden behandeld met de door Prandtl aangegeven grenslaagtheorie. Volgens deze theorie blijft bij weinig viskeuze middenstoffen (als lucht en water) de invloed van de viscositeit in de stroming om een lichaam veelal beperkt tot een dunne laag in de onmiddellijke nabijheid van de wand (de grenslaag). Voor de stroming in de grenslaag kunnen berekeningsmethoden worden ontwikkeld, terwijl de stroming buiten de grenslaag met goede benadering overeenkomt met de niet-viskeuze stroming, die in de klassieke hydrodynamica wordt beschouwd.
Bij de theoretische behandeling van stromingen van samendrukbare middenstoffen (met subsone, transsone en supersone snelheid) worden behalve de wet van het behoud van massa en de bewegingswet van Newton ook de wetten van de thermodynamica gebruikt: de gaswet en de wet van het behoud van energie. Veelal wordt hierbij een zgn. ideaal gas aangenomen, waarvoor het verband tussen de druk p, het volume V en de temperatuur T wordt gegeven door de gaswet van Boyle-Gay Lussac: pV = RT (R = gasconstante). Een belangrijk verschijnsel dat zich in transsone en supersone stromingen voordoet en niet in subsone stromingen wordt gevonden, is het optreden van schokgolven.
In tegenstelling tot subsone, transsone en supersone stromingen treden in hypersone stromingen als gevolg van de aërodynamische verhitting door stuwing en wrijving zodanig hoge temperaturen op, dat de middenstof niet langer als een ideaal gas kan worden beschouwd. De fysische stromingseigenschappen van het gas veranderen hier door het optreden van dissociatie en ionisatie. Voor de beschrijving van de stroming dient in dat geval ook gebruik te worden gemaakt van wetten uit de chemie; de exacte theoretische behandeling van dit soort stromingen is zeer gecompliceerd, doch voor vele praktische gevallen zijn goede benaderingsmethoden ontwikkeld.
De bovengenoemde benadering van de middenstof als continu medium is voor de stroming om een lichaam slechts dan toelaatbaar, indien de gemiddelde vrije weglengte l van de moleculen in de middenstof klein is ten opzichte van de lengte L van het lichaam (getal van Knudsen l/L ⪡ 1). De superaërodynamica heeft betrekking op stromingen waarin niet aan deze voorwaarde wordt voldaan. Dergelijke stromingen treden bijv. op bij lichamen die zich op zeer grote hoogten door de atmosfeer bewegen (zoals satellieten); op 150 km hoogte is de gemiddelde vrije weglengte van de moleculen bijv. ongeveer 3 m. Bij de bestudering van deze stromingen is het gedrag van de moleculen, zoals o.a. beschreven in de kinetische gastheorie, van direct belang.
De elektrisch geleidende middenstoffen, die in de magnetohydrodynamica (of magnetoaërodynamica) worden bestudeerd, bestaan veelal uit atomen met een verminderd aantal elektronen. Zij worden plasma’s genoemd en kunnen als vierde verschijningsvorm van de materie naast vaste stof, vloeistof en gas worden beschouwd. Behalve op de wetten van de mechanica, thermodynamica en chemie, is de magnetohydrodynamica gebaseerd op de wetten uit de leer van de elektriciteit en het magnetisme.
Experimentele aërodynamica.
Vele praktische stromingsvraagstukken kunnen niet of slechts bij benadering door de theoretische aërodynamica worden opgelost, in het bijzonder stromingsvraagstukken waarin de viscositeit van de lucht een belangrijke rol speelt. Voor technische toepassingen is het daarom veelal noodzakelijk experimenten uit te voeren. Hiertoe worden vaak stromingen langs kunstmatige weg opgewekt met behulp van windtunnels, schokbuizen, schoktunnels enz., waarin modellen van de te onderzoeken objecten (bijv. vliegtuig of vleugel) worden geplaatst. Met hulpmiddelen zoals rook, windvaantjes en optische apparatuur kan de stroming zichtbaar worden gemaakt, terwijl met meet- en weeginstrumenten de drukken, snelheden, temperaturen, krachten enz. in de stroming en aan het daarin opgestelde lichaam worden gemeten (zie Pitotbuis; Statische buis; Venturibuis). Aërodynamische metingen worden ook uitgevoerd ter verificatie van de resultaten van de theoretische aërodynamica, waarbij er veelal ook naar wordt gestreefd langs experimentele weg stromingspatronen of betrekkingen tussen fysische grootheden te vinden die het uitgangspunt van nieuwe theoretische beschouwingen kunnen vormen.
Toepassingsgebieden der aërodynamica.
Naar het gebied van toepassing kunnen worden onderscheiden: de aërodynamica van de natuurverschijnselen, de technische aërodynamica en de luchtvaartaërodynamica.
De aërodynamica van de natuurverschijnselen heeft o.a. betrekking op de vraagstukken die zich voordoen in de meteorologie en bij de stroming van gassen in de wereldruimte. Wind en thermische stromingen in de atmosfeer ten gevolge van resp. druk- en temperatuurverschillen, zijn stromingen met lage subsone snelheden; wervelwinden hebben de structuur van wervels enz. Hun gedrag kan met behulp van de subsone aërodynamica worden bestudeerd. In kosmische verschijnselen als magnetische stormen, aurora’s, zonnevlammen, de spiraalstructuur van het melkwegstelsel enz. treden stromingen van elektrisch geladen gasdeeltjes onder invloed van magnetische velden op, die nader kunnen worden bestudeerd met de magnetoaërodynamica.
De technische aërodynamica heeft betrekking op stromingsvraagstukken die zich voordoen in bijv. de werktuigbouwkunde, de scheepsbouwkunde, de bouwkunde. Hierbij worden o.a. bestudeerd stromingen in leidingen, compressoren en turbines, verbrandingsverschijnselen, de luchtweerstand van voertuigen (treinen, auto’s), de lucht- en waterweerstand van vaartuigen, de belasting van gebouwen door windkrachten, het optreden van rookhinder op en nabij industrieterreinen en bij schepen. Veelal zijn de stromingen hierbij subsoon, in sommige gevallen ook supersoon.
De luchtvaartaërodynamica omvat alle stromingsvraagstukken die zich voordoen bij vliegtuigen, raketten en ruimtevaartuigen bij hun vlucht door de atmosfeer. De luchtvaart heeft de belangrijkste stimulans voor de ontwikkeling van de aërodynamica gegeven; de luchtvaartaërodynamica is dan ook de meest omvangrijke van de genoemde takken der aërodynamica. In de luchtvaartaërodynamica wordt het gedrag van vleugels, rompen enz. (draagkracht, weerstand, momenten) bestudeerd bij subsone tot hypersone snelheden, alsmede het gedrag van de voortstuwingsmiddelen (luchtschroeven, straalmotoren). Ook de ruimtevaart roept vele vraagstukken op die met behulp van de aërodynamica moeten worden opgelost, zoals de aërodynamische verhitting bij terugkeer in de atmosfeer, de stroming in straalpijpen van raketmotoren en de stromingen van elektrisch geladen deeltjes in elektromagnetische velden die bijv. bij de ionenraketmotor optreden.
Voor de Lit.: zie Hydro- en aërodynamica.