空气动力学

气体是由微观上不断作热运动并相互碰撞的分子组成的。然而在空气动力学中，气体被假定为连续的。这是因为气体的各种性质如密度、压力、温度以及速度在无限小的点上有很好的定义，而且从一点到另一点是连续变化的。气体的离散性和原子性可以忽略不计，所以从宏观上来讲，气体是可以被看成具有连续性的物质。当然气体非常稀薄时，连续性假设不再成立，此时采用统计力学研究是一种更好的选择。

空气动力学问题的求解依赖于气体在三个方面的守恒：

• 质量守恒：只有在气体的速度高至必须考虑相对论效应时此定律才会失效。
• 动量守恒：由牛顿第二定律推导可得。
• 能量守恒：在不考虑粘性时，即机械能守恒；在必须考虑粘性的情况下，即机械能和热能的守恒。

附面层（又叫边界层）是一个非常重要的概念。1904年，德国著名科学家普朗特(Prandtl)首先提出边界层的概念[1]。它来源于这样一个基本事实：通常情况下，空气的粘性或摩擦作用只在靠近物体表面很薄的一个区域内起主要作用，离开这个区域，粘性的影响急剧下降。我们称这样一个很小的区域为附面层（边界层）。

边界层概念的提出，使得许多以前难以求解的问题变得可以求解，因为我们只需要在很小的一个区域考虑粘性的影响，就可求解纳维-斯托克斯方程。而在其他区域，只需要求解势流或者求解描述无粘性流体运动的欧拉方程。众所周知，势流和欧拉方程的求解难度远远低于纳维-斯托克斯方程。

紊流在空氣動力學是指流體具有隨機變化的性質，包含低程度動量擴散、高度動量對流、急速壓力以及流體速度變化等。流體不是紊流則為層流。

亚音速空气动力学大量用於賽車和部分商用車設計

当流体流动速度小于音速时，我们称之为亚音速流动。更进一步，当马赫数（即流体速度与音速之比）小于 0.3时，气体的可压缩性可以忽略不计，可視空氣為不可壓縮流。

20世紀初期，汽車比剛發明不久的飛機速度更快，更早超過時速兩百公里，當時賽車的空氣力學比飛機進步。

当流体速度接近或略超过音速（即马赫数约等于1时），我们称之为跨音速流动。跨音速流动的典型特征是激波和膨胀波。在其区域内，流体的各种性质发生剧烈变化，幅度之大，以至于我们可以认为通过激波的流体是不连续的。

跨音速流动要比单纯的亚音速和超音速都要复杂。

電腦模擬的美國太空總署X-43A飛行器空氣力學模型

超音速空气动力学研究当流动速度大于音速时的情况。比如计算协和飞机在巡航状态下的升力就是一个超音速空气动力学问题。

超音速流动和亚音速流动有着显著的不同。在亚音速时，压力波动可以从流场后方传递至前方，而在超音速时，压力波动则无法传递至上游。这样，流体性质的变化便被压缩在一个极小的范围内，也就形成了所谓的激波。

激波会将大量的机械能转化成热能。伴随着高粘性（参照雷诺数）流体的可压缩特性，激波的出现，是亚音速和超音速空气动力学的基本区别。