空气动力学

流体力学

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介绍

空气动力学空气动力学是流体力学的一个分支，它主要研究物体在同气体作相对运动情况下的受力特徵、气体流动规律和伴随发生的物理化学变化。它是在流体力学的基础上，随着航空工业和喷气推进技术的发展而成长起来的一个学科。

简介

空气动力学的分支之一——汽车空气动力学

空气动力学，是流体力学的一个分支,主要研究物体在空气或其它气体中运动时而产生各种力。空气动力学为流体力学在工程上的套用力学，特别讨论在马赫数大于0.3的流场情形。

空气动力学因为讨论的状况接近真实流体，考虑了真实流体的黏滞性、可压缩性、三维运动等特点，所以得到的计算方程式比较复杂，通常为非线性的偏微分方程式形式。这种方程在绝大多数的情况下都难以求得解析解的，加之早期计算技术还比较落后，所以当时大多是以实验的方式来求得所需的资料。

随着电脑技术的迅速发展，使用电脑进行大量数值运算来求解空气动力学方程式成为可能。利用数值法以及计算流体力学方法，可以求出非线性偏微分方程的数值解，得到所需要的各种资料，从而省去了大量的实验成本。由于数学模型的不断完善以及电脑计算能力的不断提高，现在已经可以採用电脑模拟流场的方式来取代部分空气动力学实验。

发展简史

瑞士数学家欧拉

最早对空气动力学的研究，可以追溯到人类对鸟或弹丸在飞行时的受力和力的作用方式的种种猜测。17世纪后期，荷兰物理学家惠更斯首先估算出物体在空气中运动的阻力；1726年，牛顿套用力学原理和演绎方法得出：在空气中运动的物体所受的力，正比于物体运动速度的平方和物体的特征面积以及空气的密度。这一工作可以看作是空气动力学经典理论的开始。1755年，数学家欧拉得出了描述无粘性流体运动的微分方程，即欧拉方程。这些微分形式的动力学方程在特定条件下可以积分，得出很有实用价值的结果。19世纪上半叶，法国的纳维和英国的斯托克斯提出了描述粘性不可压缩流体动量守恆的运动方程，后称为纳维-斯托克斯方程。

到19世纪末，经典流体力学的基础已经形成。20世纪以来，随着航空事业的迅速发展，空气动力学便从流体力学中发展出来并形成力学的一个新的分支。航空要解决的首要问题是如何获得飞行器所需要的举力、减小飞行器的阻力和提高它的飞行速度。这就要从理论和实践上研究飞行器与空气相对运动时作用力的产生及其规律。1894年，英国的兰彻斯特首先提出无限翼展机翼或翼型产生举力的环量理论，和有限翼展机翼产生举力的涡旋理论等。但兰彻斯特的想法在当时并未得到广泛重视。

空气动力学在飞行器的研製上起重要的作用

约在1901～1910年间，库塔和儒科夫斯基分别独立地提出了翼型的环量和举力理论，并给出举力理论的数学形式，建立了二维机翼理论。1904年，德国的普朗特发表了着名的低速流动的边界层理论。该理论指出在不同的流动区域中控製方程可有不同的简化形式。

边界层理论极大地推进了空气动力学的发展。普朗特还把有限翼展的三维机翼理论系统化，给出它的数学结果，从而创立了有限翼展机翼的举力线理论。但它不能适用于失速、后掠和小展弦比的情况。1946年美国的琼期提出了小展弦比机翼理论，利用这一理论和边界层理论，可以足够精确地求出机翼上的压力分布和表面摩擦阻力。

奥地利-捷克物理学家和哲学家恩斯特·马赫

近代航空和喷气技术的迅速发展使飞行速度迅猛提高。在高速运动的情况下，必须把流体力学和热力学这两门学科结合起来，才能正确认识和解决高速空气动力学中的问题。1887～1896年间，奥地利科学家马赫在研究弹丸运动扰动的传播时指出：在小于或大于声速的不同流动中，弹丸引起的扰动传播特征是根本不同的。在高速流动中，流动速度与当地声速之比是一个重要的无量纲参数。1929年，德国空气动力学家阿克莱特首先把这个无量纲参数与马赫的名字联系起来，十年后，马赫数这个特征参数在气体动力学中广泛引用。

小扰动在超声速流中传播会叠加起来形成有限量的突跃——激波。在许多实际超声速流动中也存在着激波。气流通过激波流场，参量发生突跃，熵增加而总能量保持不变。

英国科学家兰金在1870年、法国科学家希贡扭在1887年分别独立地建立了气流通过激波所应满足的关系式，为超声速流场的数学处理提供了正确的边界条件。对于薄冀小扰动问题，阿克莱特在1925年提出了二维线化机冀理论，以后又相应地出现了三维机翼的线化理论。这些超声速流的线化理论圆满地解决了流动中小扰动的影响问题。在飞行速度或流动速度接近声速时，飞行器的气动性能发生急剧变化，阻力突增，升力骤降。飞行器的操纵性和稳定性极度恶化，这就是航空史上着名的声障。大推力发动机的出现沖过了声障，但并没有很好地解决复杂的跨声速流动问题。直至20世纪60年代以后，由于跨声速巡航飞行、机动飞行，以及发展高效率喷气发动机的要求，跨声速流动的研究更加受到重视，并有很大的发展。

人造卫星的研製推动空气动力学的发展

远程飞弹和人造卫星的研製推动了高超声速空气动力学的发展。在50年代到60年代初，确立了高超声速无粘流理论和气动力的工程计算方法。60年代初，高超声速流动数值计算也有了迅速的发展。通过研究这些现象和规律，发展了高温气体动力学、高速边界层理论和非平衡流动理论等。

由于在高温条件下会引起飞行器表面材料的烧蚀和质量的引射，需要研究高温气体的多相流。空气动力学的发展出现了与多种学科相结合的特点。空气动力学发展的另一个重要方面是实验研究，包括风洞等各种实验设备的发展和实验理论、实验方法、测试技术的发展。世界上第一个风洞是英国的韦纳姆在1871年建成的。到今天适用于各种模拟条件、目的、用途和各种测量方式的风洞已有数十种之多，风洞实验的内容极为广泛。

20世纪70年代以来，雷射技术、电子技术和电子电脑的迅速发展，极大地提高了空气动力学的实验水準和计算水準，促进了对高度非线性问题和复杂结构的流动的研究。

除了上述由航空航天事业的发展推进空气动力学的发展之外，60年代以来，由于交通、运输、建筑、气象、环境保护和能源利用等多方面的发展，出现了工业空气动力学等分支学科。

研究内容

电脑模拟的X-43A飞行器空气力学模型

分类

通常所说的空气动力学研究内容是飞机，飞弹等飞行器在各种飞行条件下流场中气体的速度、压力和密度等参量的变化规律，飞行器所受的举力和阻力等空气动力及其变化规律，气体介质或气体与飞行器之间所发生的物理化学变化以及传热传质规律等。从这个意义上讲，空气动力学可有两种分类法：首先，根据流体运动的速度範围或飞行器的飞行速度，空气动力学可分为低速空气动力学和高速空气动力学。通常大致以400千米/小时这一速度作为划分的界线。在低速空气动力学中，气体介质可视为不可压缩的，对应的流动称为不可压缩流动。大于这个速度的流动，须考虑气体的压缩性影响和气体热力学特徵的变化。这种对应于高速空气动力学的流动称为可压缩流动。

其次，根据流动中是否必须考虑气体介质的粘性，空气动力学又可分为理想空气动力学(或理想气体动力学)和粘性空气动力学。

边缘性的分支学科

钱学森

除了上述分类以外，空气动力学中还有一些边缘性的分支学科。例如稀薄气体动力学、高温气体动力学等。

在低速空气动力学中，介质密度变化很小，可视为常数，使用的基本理论是无粘二维和三维的位势流、翼型理论、举力线理论、举力面理论和低速边界层理论等；对于亚声速流动，无粘位势流动服从非线性椭圆型偏微分方程，研究这类流动的主要理论和近似方法有小扰动线化方法，普朗特-格劳厄脱法则、卡门-钱学森公式和速度图法，在粘性流动方面有可压缩边界层理论；对于超声速流动，无粘流动所服从的方程是非线性双曲型偏微分方程。

在超声速流动中，基本的研究内容是压缩波、膨胀波、激波、普朗特-迈耶尔流动、锥型流，等等。主要的理论处理方法有超声速小扰动理论、特征线法和高速边界层理论等。跨声速无粘流动可分外流和内流两大部分，流动变化复杂，流动的控製方程为非线性混合型偏微分方程，从理论上求解困难较大。

高超声速流动的主要特点是高马赫数和大能量，在高超声速流动中，真实气体效应和激波与边界层相互干扰问题变得比较重要。高超声速流动分无粘流动和高超声速粘性流两大方面。

工业空气动力学主要研究在大气边界层中，风同各种结构物和人类活动间的相互作用，以及大气边界层内风的特徵、风对建筑物的作用、风引起的质量迁移、风对运输车辆的作用和风能利用，以及低层大气的流动特徵和各种颗粒物在大气中的扩散规律，特别是端流扩散的规律，等等。

其他领域中

Wingtip Vortex

除航空航天外，空气动力学在其他领域也有非常重要的套用。在包括汽车在内的所有交通工具的设计中，它都是一个很重要的因素。大型建筑物涉及到风载荷，市内空气动力学研究城市的微气候环境，环境空气动力学研究大气环流和飞行对生态系统的影响。还有引擎设计所涉及的热流和内流也是空气动力学非常重要的一个方面。

守恆定律

空气动力学问题的求解依赖于气体在三个方面的守恆：

质量守恆：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。动量守恆：由牛顿第二定律推导可得。能量守恆：在不考虑粘性时，即机械能守恆；在必须考虑粘性的情况下，即机械能和热能的守恆。

附面层流动

附面层（又叫边界层）是一个非常重要的概念。1904年，德国着名科学家普朗特(Prandtl)首先提出边界层的概念。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，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。

空气动力学

超音速空气动力学

协和飞机——“协和”超音

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着的不同。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範围内，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）流体的可压缩特徵，激波的出现，是亚音速和超音速空气动力学的基本区别。

亚音速空气动力学

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。

研究方法

理论和实验

空气动力学的研究，分理论和实验两个方面。理论和实验研究两者彼此密切结合，相辅相成。理论研究所依据的一般原理有：运动学方面，遵循质量守恆定律；动力学方面，遵循牛顿第二定律；能量转换和传递方面，遵循能量守恆定律；热力学方面，遵循热力学第一和第二定律；介质属性方面，遵循相应的气体状态方程和粘性、导热性的变化规律，等等。

实验装备

实验研究则是借助实验设备或装置，观察和记录各种流动现象，测量气流同物体的相互作用，发现新的物理特点并从中找出规律性的结果。由于近代高速电子电脑的迅速发展，数值计算在研究复杂流动和受力计算方面起着重要作用，高速电子电脑在实验研究中的作用也日益增大。因此，理论研究、实验研究、数值计算三方面的紧密结合是近代空气动力学研究的主要特征。

研究过程

空气动力学研究的过程一般是：通过实验和观察，对流动现象和机理进行分析，提出合理的力学模型，根据上述几个方面的物理定律，提出描述流动的基本方程和定解条件；然后根据实验结果，再进一步检验理论分析或数值结果的正确性和适用範围，并提出进一步深入进行实验或理论研究的问题。如此不断反复、广泛而深入地揭示空气动力学问题的本质。

20世纪70年代以来，空气动力学发展较为活跃的领域是湍流、边界层过渡、激波与边界层相互干扰、跨声速流动、涡旋和分离流动、多相流、数值计算和实验测试技术等等。此外，工业空气动力学、环境空气动力学，以及考虑有物理化学变化的气体动力学也有很大的发展。

其它力学

静力学、动力学、流体力学、分析力学、运动学、固体力学、材料力学、复合材料力学、流变学、结构力学、弹性力学、塑性力学、爆炸力学、磁流体力学、空气动力学、理性力学、物理力学、天体力学、生物力学、计算力学

物理学

物理学概览、力学、热学、光学、声学、电磁学、核物理学、固体物理学

钱翼稷着

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基本资料

作　者： 钱翼稷 编着

出 版 社： 北京航天航空大学出版社

出版时间： 2004-9-1

字　数： 622000

页　数： 430

开　本： 16开

I S B N ： 978-7-810-77509-0

包　装： 平装

定价：43.00

内容简介

本书对空气动力学作了全面介绍。内容分为两大部分，共12章。

第一部分讲述流体力学与空气动力学的基础理论以及低速空气动力学，共有6章。前4章讲述空气动力学的基础理论。后两章讲述低速空气动力学，内容是低速翼型和低速机翼。

第二部分讲述气体动力学的基础理论以及高速空气动力学，共有6章。包括气体动力学的基础理论，亚、跨、超声速流中的翼型与机翼及其气动特徵。最后介绍高超声速流和计算流体动力学（CFD）。

本书的读者对象主要是高等航空院校的大学部学生，也可以供涉及流体力学或空气动力学的有关专业学生或从事这方面工作的人员参考。

图书目录

绪论

0.1 空气动力学的研究对象、範围及其分类

0.2 空气动力学的研究方法

第1章 流体属性与流体静力学

1.1 连续介质的概念：介质内部一点处的密度

1.2 流体内部一点处的压强

1.3 完全气体的状态方程

1.4 气体的弹性和流动性

1.5 流体的粘住

1.6 作用在流体微团上的力——表面力和彻体力

1.7 流体的静平衡方程——欧拉静平衡议程

1.8 标準大气

习题

第2章 流体运动学和动力学基础

2.1 流场及其描述方法

2.2 流体微团的运动分析

2.3 质量方程

2.4 欧拉运动方程及N-S方程

2.5 环量与涡

习题

第3章 低速平面位流

3.1 平面不可压位流的基本方程，流函式

3.2 几种简单的二维位流

3.3 一些简单的叠加举例

3.4 二维对称物体绕流的数值解

习题

第4章 边界层流动

4.1 边界层概念的提出

4.2 平面不可压层流边界层微分方程

4.3 平板边界层的解

4.4 可压流边界层

习题

第5章 低速翼型

第6章 低速机翼及其气动特徵

第7章 高速可压流动基础

第8章 亚、跨声速流中的翼型与机翼

第9章 超声速翼型的气动特徵

第10章 超声速机翼的气动特徵

第11章 高超声速流

第12章 计算流体动力学

附表

参考文献　

陆志良着

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基本资料

书 名： 空气动力学

作　者：陆志良

出版社： 北京航空航天大学出版社

出版时间： 2009-8-1

ISBN: 9787811248609

开本： 16开

定价： 38.00元

内容简介

本书为航空航天、兵器、空军等国防院校的大学部生《空气动力学》教材。全书共10章，内容分为流体力学基础和飞行器空气动力学，这两部分相对独立但又有机结合。

第1～5章为流体力学与空气动力学的基础部分。主要介绍的是流体力学基础知识、流体运动基本控製方程和基本规律、低速位流理论、高速可压流的基础知识和粘流与边界层基础。

第6～10章为飞行器空气动力学部分。主要介绍的是低速翼型和低速机翼的空气动力特徵；亚声速、超声速、跨声速流中的翼型与机冀气动特徵及跨声速、高超声速流初步知识；计算流体力学初步知识。

本书供飞行器设计专业大学部生使用，也可供涉及流体力学、空气动力学的有关专业学生使用，还可供从事空气动力学相关工作的人员参考。

图书目录

第1章 流体力学基础知识

1.1 流体力学的基本任务和研究方法

1.1.1 基本任务

1.1.2 研究方法

1.2 流体力学以及空气动力学的发展概述

1.3 流体介质

1.3.1 连续介质假设

1.3.2 流体的压强、密度、温度和速度

1.3.3 气体的状态方程

1.3.4 压缩性、粘性和传热性

1.3.5 流体的模型化

1.4 气动力和力矩

1.4.1 升阻力和力矩

1.4.2 气动力及力矩系数

1.4.3 压力中心

1.5 矢量和积分知识

1.5.1 矢量代数

1.5.2 典型的正交坐标系

1.5.3 标量场和矢量场

1.5.4 标量积和矢量积

1.5.5 标量场的梯度

1.5.6 矢量场的散度

1.5.7 矢量场的旋度

1.5.8 线积分

1.5.9 面积分

1.5.10 体积分

1.5.11 线积分、面积分和体积分之间的关系

1.6 控製体和流体微团

1.6.1 控製体

1.6.2 流体微团

1.6.3 速度散度的物理意义

1.6.4 物质导数

复习思考题

第2章 流体运动基本方程和基本规律

2.1 连续方程

2.2 动量方程

2.3 能量方程

2.4 方程的基本解法

2.4.1 方程的理论解

2.4.2 数值解——计算流体力学

2.5 微团运动分析

2.5.1 流场的迹线、流线

2.5.2 角速度、旋度和角变形率

2.5.3 流函式、速度位以及相互关系

2.6 旋涡运动

2.6.1 涡线、涡管以及旋涡强度

2.6.2 速度环量和斯托克斯定理

2.6.3 毕奥一萨伐尔定理及直线涡的诱导速度

2.6.4 亥姆霍兹旋涡定理

复习思考题

第3章 不可压无粘流

3.1 伯努利方程及套用

3.1.1 无旋流中的积分

3.1.2 有旋流中的积分

3.2 拉普拉斯方程

3.3 拉普拉斯方程的基本解

3.3.1 直匀流

3.3.2 点源

3.3.3 点涡

3.3.4 偶极子

3.4 基本解叠加

……

第4章 高速可压无粘流

第5章 粘流和边界层流动

第6章 低速翼型的气动特徵

第7章 机翼的低速气动特徵

第8章 亚声速翼型和机翼的气动特徵

第9章 超声速线化理论及跨声速、高超声速流初步

第10章 计算流体力学初步

附录A 常用气动表

附录B 主要符号表

附录C 名人简介

参考文献

​清大出版

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空气动力学上册

图书信息

书名：空气动力学（上册）

ISBN：9787302146995

作者：吴子牛等　

定价：49.8元

出版日期：2007-4-1

出版社：清华大学出版社

图书简介

本书涉及空气动力学的经典内容和一些非经典内容。经典内容包括升力产生的无粘与粘性机製，低速翼型与机翼空气动力学，一般亚、跨、超音速空气动力学和粘性流动的一些内容。非经典内容包括非定常空气动力学，高超音速流动及相关技术和大气环境与大气飞行器。除飞行器本身的空气动力学外，还较多介绍了一些其他飞行物包括昆虫所涉及的空气动力学现象。本书兼顾了空气动力学的规範内容和趣味性内容。

本书配套出版教学用电子教案和习题分析与解答。

本书可作为流体力学专业背景的大学部生和研究生学习空气动力学的教材，也可供从事相关工作的各类专业人员学习参考。

目录

第1章低速运动物体升力产生机製1

1.1引言2

1.1.1力与升力2

1.1.2流体力学基本方程的来源与分类5

1.1.3一些重要的历史事件9

1.1.4部分杰出空气动力学家介绍13

1.2复势函式与勃拉休斯定理21

1.2.1复势函式21

1.2.2勃拉休斯定理23

1.3保角变换26

1.3.1保角变换及其性质26

1.3.2两平面之间的速度关系与环量关系29

1.3.3几种特殊变换与特殊流动，带攻角的流动，绕角的流动30

1.4儒可夫斯基翼型流动36

1.4.1儒可夫斯基对称翼型36

1.4.2一般儒可夫斯基翼型38

1.5库塔条件与计算升力的数学理论39

1.5.1库塔条件39

1.5.2环量的确定43

1.5.3儒可夫斯基升力定理44

1.5.4绕平板与儒可夫斯基翼型的力47

1.5.5儒可夫斯基翼型的力矩49

1.5.6最大升力系数50

1.6固壁干扰与镜像法, 多点涡圆柱绕流52

1.6.1直壁影响52

1.6.2圆壁的干扰53

1.6.3风洞实验的洞壁修正55

1.6.4多点涡圆柱绕流57

1.7升力产生机製的进一步描述59

1.7.1概述59

1.7.2升力产生机製的常见解释61

1.7.3升力产生机製的总结63

1.8升力产生的粘性机製与球类运动空气动力学64

1.8.1无分离与有分离圆柱或圆球的压力分布65

1.8.2马格努斯效应与球类运动69

1.8.3非旋转效应76

1.9鸟类与昆虫飞行升力机製简介79

1.9.1翱翔（滑翔）79

1.9.2低频简单扑翼80

1.9.3高频复杂扑翼82

附录Ⅰ复变函式相关知识84

Ⅰ.1复变数基本定义与基本运算公式84

Ⅰ.2解析函式85

Ⅰ.3极值与留数定理86

Ⅰ.4多极点留数的简化87

Ⅰ.5柯西公式88

附录ⅡSchwarz?Christoffel变换90

Ⅱ.1Schwarz?Christoffel变换与定理90

Ⅱ.2Schwarz?Christoffel变换的若干套用92

Ⅱ.3昆虫问题95

本章习题100

本章参考文献105

第2章低速翼型与机翼流动107

2.1翼型的几何定义108

2.2气动参数定义111

2.2.1升力与阻力，升阻比111

2.2.2力矩，压力中心，焦点113

2.2.3力矩在飞行器控製中的意义118

2.3薄翼理论119

2.3.1基本思想119

2.3.2薄翼理论基本方程的求解122

2.3.3薄翼的气动特徵123

2.4厚翼处理： 面涡法127

2.5机翼的几何特征、升力线理论与气动特徵129

2.5.1机翼的几何形状与气动参数129

2.5.2定性分析133

2.5.3升力线理论135

2.5.4升力面理论与涡格法149

2.5.5地面效应157

附录Ⅲ旋涡的若干概念与性质158

附录Ⅳ毕奥?萨伐尔定律及其套用160

附录Ⅴ定积分的证明162

附录Ⅵ各种机翼的低速气动特徵分析163

Ⅵ.1大展弦比机翼的失速特徵163

Ⅵ.2后掠翼的气动特徵164

Ⅵ.3小展弦比机翼的气动特徵与涡升力167

本章习题169

本章参考文献172

第3章高速空气动力学173

3.1可压缩流动与一维定常流动理论173

3.1.1可压缩流动概述173

3.1.2三障现象175

3.1.3激波与激波厚度178

3.1.4绝热流动与非绝热流动181

3.1.5等熵流动190

3.1.6小扰动、影响区域、马赫角与马赫锥192

3.1.7正激波关系式193

3.1.8一维定常流动理论197

3.2高速流动的小扰动理论210

3.2.1理想等熵定常流动的基本方程211

3.2.2小扰动基本方程214

3.2.3线化的物面边界条件217

3.2.4线化压力系数218

3.2.5阿克莱经典问题，波阻219

3.2.6滑移线不稳定分析224

3.2.7亚音速线化流动的相似法则228

3.2.8超音速二维机翼的线化解236

3.2.9超音速气流与亚音速气流的本质区别243

3.3超音速流动243

3.3.1特征线理论244

3.3.2传统膨胀波理论254

3.3.3斜激波262

3.3.4超音速翼型与机翼流动270

3.4跨音速流动277

3.4.1临界马赫数与临界压力278

3.4.2机翼绕流图画，极限特征线279

3.4.3跨音速相似律283

3.4.4超临界翼型286

3.4.5跨音速面积律289

3.4.6速度图法292

3.4.7卡门?钱学森公式296

本章习题301

本章参考文献309

第4章空气动力学中的粘性流动基础310

4.1粘性流动基本方程的各种形式讨论313

4.1.1牛顿本构关系的两种推导313

4.1.2N?S方程的多样性318

4.1.3高温混合气体能量方程，组元守恆方程，反应热的物理意义322

4.1.4高温混合气体方程组的求解过程326

4.1.5平衡流、非平衡流与冻结流328

4.2不可压流动边界层基本方程及其求解332

4.2.1边界层基本方程与勃拉休斯解333

4.2.2温度边界层方程与求解337

4.3与边界层流动相关的基本概念340

4.3.1边界层厚度与无粘流理论的边界层修正340

4.3.2边界层分离342

4.4可压缩与高超音速边界层基本方程与求解346

4.4.1可压缩与高超音速边界层基本方程347

4.4.2可压缩与高超音速边界层基本方程相似性变换348

4.4.3可压缩平板边界层绕流相似性解352

4.4.4驻点绕流相似性解353

4.4.5可压缩边界层能量方程的克罗柯?布赛曼解356

4.4.6绝热壁的恢复温度与复温因子357

4.5有化学反应高速边界层流动方程及相似性解359

4.5.1基本方程359

4.5.2边界条件363

4.5.3相似性解364

4.6湍流及湍流模拟概述367

4.6.1转捩与稳定性的基本概念367

4.6.2湍流特征376

4.6.3光滑壁面湍流边界层的结构379

4.6.4湍流统计平均方法382

4.6.5雷诺平均方法、湍流半经验理论与最简单的湍流模型383

4.6.6湍流代数模型与二阶矩模型387

4.6.7转捩/湍流模型394

4.6.8湍流直接模拟与大涡模拟397

4.7升阻力、升阻比与气动热的估算404

4.7.1摩擦系数与换热系数404

4.7.2翼型与机翼的升阻比估算409

4.7.3气动热计算公式414

4.7.4驻点热流的进一步讨论与计算公式套用419

附录Ⅶ分子粘性系数、热传导系数和扩散系数423

Ⅶ.1分子粘性系数423

Ⅶ.2热传导系数425

Ⅶ.3扩散系数426

Ⅶ.4总热传导系数与平衡普朗特数429

本章习题430

本章参考文献435

空气动力学下册

图书信息

书名：空气动力学（下册）

ISBN：9787302167440

作者：吴子牛、王兵、周睿　

定价：69.8元

出版日期：2008-4-1

出版社：清华大学出版社

图书简介

本书分为上、下两册，涉及空气动力学的经典内容和一些非经典内容。经典内容包括升力产生的无粘与粘性机製，低速翼型与机翼空气动力学，一般亚、跨、超音速空气动力学和粘性流动的一些内容。非经典内容包括非定常空气动力学，高超音速流动及相关技术和大气环境与大气飞行器。除飞行器本身的空气动力学外，还较多地介绍了一些其他飞行物包括昆虫所涉及的空气动力学现象。本书兼顾了空气动力学的规範内容和趣味性内容。

本书配套出版了教学用电子教案和习题分析与解答。

本书可作为流体力学专业背景的大学部生和研究生学习空气动力学的教材，也可供从事相关工作的各类专业人员学习参考。

目录

第5章 非定常空气动力学1

5.1 非定常流动与坐标系的选择1

5.1.1 非定常流动分类1

5.1.2 绝对静止系与非惯性运动系的关系3

5.1.3 绝对静止系与惯性运动系9

5.1.4 惯性运动系流动求解与动力学过程13

5.1.5 圆柱加速运动15

5.1.6 附加惯性系数的一般求法18

5.2 物体作刚体运动引起的流动21

5.2.1 物体作任意运动在惯性运动系中引起的势函式21

5.2.2 运动物体的勃拉休斯定理24

5.2.3 运动椭圆所受的力和力矩26

5.3 纸片与椭圆的下落运动27

5.3.1 纸片模化处理： 运动椭圆问题28

5.3.2 有涡脱落的情况29

5.4 可压缩非定常流动32

5.4.1 特征线方法33

5.4.2 简单波与一维膨胀波38

5.4.3 运动激波关系式45

5.4.4 黎曼问题52

5.4.5 波的反射与相互作用57

5.5 不可压缩与可压缩非定常流动的本质区别64

5.5.1 小扰动传播规律65

5.5.2 大扰动问题66

5.5.3 粘流问题66

5.5.4 不可压缩流动的真正意义68

5.6 特征线差分法与现代计算流体力学简介70

5.6.1 特征线差分法70

5.6.2 现代计算流体力学方法74

5.6.3 计算流体力学无量纲参数CFL数，数值稳定性76

5.7 复杂运动非定常粘性升力机製简介78

5.7.1 运动物体引起的非定常流动动量定理及其套用78

5.7.2 涡量守恆定理82

5.7.3 用主力矩计算气动力的吴镇远定理84

5.7.4 吴镇远定理的分析与套用、集中涡88

5.7.5 Weis-Fogh的非定常高升力机製94

5.7.6 鸟类和昆虫的运动学与气动特徵简介101

附录VIII 附加惯性张量的性质108

附录Ⅸ 任意运动物体合力表达式109

附录Ⅹ 任意运动物体力矩表达式111

附录Ⅺ 椭圆作任意运动所受的合力和力矩112

附录Ⅻ 纸片下落问题的背景与研究现状简介120

Ⅻ.1 背景与概述120

Ⅻ.2 研究现状120

本章习题124

本章参考文献128

第6章 高超音速及相关技术概述131

6.1 高超音速流动的基本特征131

6.1.1 薄激波层133

6.1.2 强粘性效应134

6.1.3 高熵层135

6.1.4 高温真实气体效应135

6.1.5 低密度效应与低雷诺数效应136

6.1.6 小结137

6.2 高超音速无粘流基本知识138

6.2.1 马赫数无关原理139

6.2.2 牛顿流模型141

6.3 高超音速粘流基本知识144

6.3.1 驻点热流144

6.3.2 粘性效应与粘性相互作用简介146

6.4 高温真实气体效应151

6.4.1 高温空气的性质152

6.4.2 化学与振动非平衡154

6.4.3 非平衡流动、平衡流动和冻结流动概念及其模型158

6.4.4 空气平衡流动计算模型举例164

6.4.5 雷射与太阳能热推进的沖量耦合系数与比沖171

6.5 低密度（稀薄）效应173

6.5.1 流动分区173

6.5.2 不同流动区域的计算模型175

6.5.3 自由分子流区的气动力计算、与DSMC方法的比较179

6.6 空气热力学效应186

6.6.1 空气热力学的重要性186

6.6.2 高速边界层与转捩188

6.6.3 激波反射与激波干扰现象189

6.6.4 高超音速飞行器激波干扰现象分析197

6.7 高超音速相关技术概述201

6.7.1 实验中如何获得高马赫数201

6.7.2 高超音速再入飞行的飞行力学问题202

6.7.3 高超音速再入气动热问题206

6.7.4 乘波体简介209

6.7.5 高超音速飞行器若干关键技术分析211

6.8 吸气式发动机工作原理分析218

6.8.1 超音速飞行对发动机的要求218

6.8.2 涡喷与涡扇发动机简介220

6.8.3 沖压发动机简介223

6.8.4 沖压发动机工作原理分析224

6.8.5 均匀混合气体燃烧波理论232

6.8.6 超燃沖压发动机关键技术简介235

6.8.7 减阻问题238

本章习题240

本章参考文献244

第7章 空气动力学与大气飞行器247

7.1 飞行空间与大气环境247

7.1.1 飞行空间247

7.1.2 大气结构249

7.1.3 大气的成分251

7.1.4 标準大气的数学模型252

7.1.5 大气物理特征254

7.2 飞行器气动部件及其作用270

7.2.1 翼型升力、阻力与失速特徵270

7.2.2 机翼特徵273

7.2.3 尾翼286

7.2.4 副翼、扰流片与减速板291

7.2.5 涡流发生器293

7.2.6 边条翼296

7.2.7 翼身融合299

7.2.8 高升力装置(增升装置)301

7.3 飞行器气动布局及性能304

7.3.1 飞机气动布局305

7.3.2 飞机飞行性能的一般性概述311

7.3.3 飞机的平衡、稳定性与操纵性318

7.3.4 飞机的机动性325

7.3.5 高超音速飞行器的再入飞行力学330

7.3.6 典型飞机及其特点336

7.3.7 飞行动物与微型扑翼飞行器344

7.3.8 现代气动布局飞机--飞翼设计分析举例353

7.4 飞机资料综合比较361

7.4.1 气动资料比较361

7.4.2 飞行性能资料比较366

7.4.3 几何形状资料比较370

7.4.4 整体性能资料比较374

7.5 一体化设计中的气动隐身设计与飞机综合概念设计378

7.5.1 隐身与雷达散射截面积379

7.5.2 飞行器整体布局和外形的隐身设计384

7.5.3 飞行器隐身/?气动一体化设计393

7.5.4 SEACD: 综合化飞机概念设计环境402

7.5.5 国外几种隐身战斗机低RCS外形技术分析406

本章习题416

本章参考文献419

总附录A 热力学、统计力学与动力论基础知识421

A.1 经典热力学基础回忆421

A.2 化学热力学基础427

A.3 统计热力学基础435

A.4 动力论基础445

A.5 化学反应速率方程，平衡常数448

A.6 音速公式451

A.7 几个基本关系式的证明453

总附录A参考文献454

总附录B 空气动力学的套用範围简介455

B.1 空气运动的简单与复杂455

B.2 自然规律与空气动力学458

B.2.1 巨观气象学与空气动力学459

B.2.2 微观气象学与空气动力学461

B.2.3 森林空气动力学465

B.2.4 鸟和昆虫飞行空气动力学466

B.3 工业、工程与空气动力学470

B.3.1 建筑物空气动力学471

B.3.2 车辆空气动力学473

B.3.3 风能利用476

B.3.4 体育中的空气动力学477

B.4 航空、航天与空气动力学483

B.4.1 飞机空气动力学483

B.4.2 航天空气动力学488

B.4.3 气动弹性、气动噪声和气动光学492

总附录B参考文献498

总附录C 风洞简介500

C.1 低速风洞简介501

C.2 亚音速风洞505

C.3 跨音速风洞510

C.4 超音速风洞516

C.5 高超音速风洞522

总附录C参考文献528

总附录D 飞艇空气动力学529

D.1 飞艇简介529

D.1.1 飞艇的结构特点和工作原理529

D.1.2 飞艇的发展简史538

D.2 基本概念545

D.2.1 基本参数545

D.2.2 附加惯性、附加密度和表观密度547

D.2.3 称量重量（凈重）549

D.3 飞艇常规空气动力学问题552

D.3.1 飞艇空气动力学的理论基础及套用552

D.3.2 阻力与低阻力外形563

D.3.3 升力、力与力矩特徵570

D.3.4 柔性外壳的流固耦合577

D.3.5 飞艇与阵风的相互作用583

D.4 高空飞艇带来的新空气动力学问题简述594

D.4.1 新空气动力学问题简介594

D.4.2 穿越强风带的发射/回收过程597

D.4.3 分片外形的气动效应605

D.5 平流层飞艇整体设计609

D.5.1 环境参数609

D.5.2 飞艇的几何参数611

D.5.3 飞艇组件的技术指标及质量参数612

D.5.4 飞艇的力学参数614

D.5.5 各参数之间满足的平衡关系615

D.5.6 简单估算的算例616

D.5.7 升浮一体化设计619

总附录D参考文献622

索引624

参考文献642

《空气动力学》（上册）勘误表644