哈尔滨工业大学空气动力学自编教材01第1章绪论及基础知识-航院
空气动力学01第1章绪论及基础知识-航院
教材：
1.
2.
3.
4.
参考书：
空气与气体动力学的任务、研究方法及发展
流体静力学
水力学
理论流体动力学润滑理论
基本任务：航空、航天、天气预报、船舶、体育运动、2
2
v p const
ρ+=理想不可压流体伯努利方程空气流过飞行器外部时运动规律y L V ρ∞∞
=Γ
库塔儒可夫-儒科夫斯基定理假设实际
黏性
附面层旋涡/涡量
Stokes 定理
ndA Ω⋅=Γ∫
y 翼梢小翼
下洗速度
诱导阻力
有效迎角↓
下洗角
翼尖尾涡
升力↓
当地升力
等效
来流
来流实际升力
尾涡
后掠机翼
平直机翼
n V 是产生升力/激波的有效速度
后掠翼可提高产生激波的Ma cr
边条涡
边条翼：下表面压力>上表面压力
气流旋转涡旋转涡心p 低而V 高流经部位压力低
注入机翼表面气流能量推迟分离
激波
1
V a >21
V V <()120sh D m
V V =−> 激波阻力
7
发动机气体动力学y 压气机/风扇：气体增压
涡轮：气体膨胀
8
y 音障/音爆/音爆云
正激波及阻力
弱压缩波
斜激波
y 音障
楔型体超音速运动
激波及激波阻力
阻力系数↑消耗3/4功率
y 活塞发动机高速时螺旋桨效率低、桨尖易产生激波⇒喷气发动机y 降低波阻的超音速气动布局如后掠翼、面积率→蜂腰机身等
y 音爆激波面上声学能量高度集中，这些能量让人感受到短暂而极其强烈的爆炸声。
超音速低压气流局部正激波斜激波
局部亚音气流超音/亚音气流超音速气流
膨胀加速
压缩减速
尾激波
压缩减速
y 音爆云
激波后气体急剧膨胀降压降温
潮湿天气
气温低于露点水汽凝结水珠
云雾
y 亚燃冲压发动机进气道及扩压段斜激波及正激波拉伐尔喷管气流增压至亚音速
哈工大航天学院课程-空间飞行器动力学与控制-第1课-绪论
嫦娥二号卫星是嫦娥一号卫星的姐妹星，由长 三丙火箭发射。但是嫦娥二号卫星上搭载的CCD相 机的分辨率将更高，其它探测设备也将有所改进， 所探测到的有关月球的数据将更加翔实。“嫦娥二 号”于2010年10月1日在西昌卫星发射中心发射升空， 并获得了圆满成功.
嫦娥二号
空间飞行器动力学与控制 第一课 绪论
如何实现航天探索？
真正的航天飞行历史是从火箭技术的发展 开始的。追溯源头，中国是最早发明火箭的 国家。 “火箭”这个词在三国时代(公元220～ 280年)就出现了。不过那时的火箭只是在箭 杆前端绑有易燃物，点燃后由弩弓射出，故 亦称为“燃烧箭”。
空间飞行器动力学与控制 第一课 绪论
随着中国古代四大发明之一的火药出现，火
空间飞行器动力学与控制 第一课 绪论
美国未来火星探测计划
美国国家航空航天局与麻省理工学院合作的火星 科学实验室将于2009年12月启程前往火星；在2011年， 将进行第二次火星侦察任务。 美国的火星样本取回任务计划将于2013年实施， 计划于2016年将半千克左右的火星土壤和岩芯样本送 回地球作进一步研究。 在第58届国际宇航联合会大会上，美国宇航局宣 布计划在2037年派宇航员登上火星。
药便取代了易燃物，使火箭迅速应用到军事中。
公元10世纪唐末宋初就已经有了火药用于火箭的 文字记载。真正靠火药喷气推进而非弩弓射出的 火箭的外形被记载于明代茅元仪编著的《武备志》 中，见下图。
空气动力学
空气动力学
科技名词定义
中文名称：空气动力学
英文名称：acerodynamics;aerodynamics
定义1：流体力学的分支学科，主要研究空气运动以及空气与物体相对运动时相互作用的规律，特别是飞行器在大气中飞行的原理。
所属学科：大气科学（一级学科）；动力气象学（二级学科）
定义2：研究空气和其他气体的运动以及它们与物体相对运动时相互作用规律的科学。
所属学科：航空科技（一级学科）；飞行原理（二级学科）
本内容由全国科学技术名词审定委员会审定公布
百科名片
同名书籍
空气动力学是力学的一个分支，它主要研究物体在同气体作相对运动情况下的受力特性、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。
目录
F1中空气动力学的最基本原理和公式
空气动力学的发展简史
空气动力学的研究内容
空气动力学的研究方法
其它力学分支学科
主要物理学分支
图书信息1
图书信息2
F1中空气动力学的最基本原理和公式
空气动力学的发展简史
空气动力学的研究内容
空气动力学的研究方法
其它力学分支学科
主要物理学分支
图书信息1
图书信息2
展开
1．动量理论
推导出作用在风机叶轮上的功率P和推力T（忽略摩擦阻力）。
由于受到风轮的影响，上游自由风速V0逐渐减小，在风轮平面内速度减小为U1。上游大气压力为P0，随着向叶轮的推进，压力逐渐增加，通过叶轮后，压力降低了ΔP，然后有又逐渐增加到P0（当速度为U1时）。
根据伯努力方程
H=1/2（ρv2）+P (1)
ρ—空气密度
H—总压
根据公式（1），
ρV02/2+P0=ρu2/2+p1
《空气动力学基础》第5章
流量函数q(λ)
qm
v a
a A
q(λ)
1
0
0 *
(
)
1 1 2
v a
11
0
2 11 1
p0 RT0
a
2
1
RT0
1
1
qm
ຫໍສະໝຸດ Baidu
()
1 1 2
2 1
1
p0 RT0
2 1
RT0
A
1
1
qm q
2 2 1
1
R
1
p0 A T0
2 1
R
1
p0 A q
基本方程
连续方程： d dv dA 0 vA
动量方程： dp Ma2 dv 0
p
v
能量方程： dT 1 Ma2 dv 0
T
v
状态方程： dp d dT 0 p T
马赫数方程：dMa dv dT 0 Ma v 2T
dp Ma2 dA
p 1 Ma2 A
d
Ma 2 1 Ma2
§5-2 收缩喷管
喷管的分类
——使气流不断加速的管道。
气流参数
Ma 1
dp d dTMa<1 Ma<1 pT
M a< 1 M a< 1
Ma 1
《空气动力学基础》第3章
斯方程，它也是不可压理想无旋流动。
2i
x2
2i
y 2
2i
z 2
0 ……
i 1, 2,...n
1 2 ...... n
2
x2
2
y 2
2
z 2
0
vx
x
(1
2 ...... n )
x
vx vx1 vx2 ... vxn
22:34
11
第三章 不可压理想流体绕物体的流动
§3-1不可压理想流体的无旋运动 §3-2 拉普拉斯方程的基本解 §3-3 绕圆柱的流动
22:34
12
第三章 不可压理想流体绕物体的流动
§3-2拉普拉斯方程的基本解
不可压位流的两个特性：
（1）所满足的基本方程为拉普拉斯方程。 （2）不可压位流的解具有可叠加的特性。
22:34
15
第三章 不可压理想流体绕物体的流动
§3-2拉普拉斯方程的基本解
直匀流、点源和点涡
直匀流
流场中各点的流速的大小及其指向都相同
d ax by
d ay bx
速度分布
势函数 流函数
22:34
vx v ,vy 0
vx vcos ,vy vsin
vx vrcos v xcos ysin
空气动力学第一章
1.3 理想流体内一点的压强及其各向同性
理想和静止流体中的法向应力称为压强 p，其指向沿着表面的内法线方 向，压强的量纲是[力]/[长度]2，单位为（N/m2）或 （帕：pa）
在理想（无粘）流体中，不论流体静止还是运动，尽管一般压强是
位置的函数 P=P(x,y,z), 但在同一点处压强不因受压面方位不同而变化，
第一章 流体属性和流体静力学
1.1 流体属性 1.2 作用在流体微团上力的分类 1.3 理想流体内一点的压强及其各向同性 1.4 流体静平衡微分方程 1.5 重力场静止液体中的压强分布规律 1.6 液体的相对平衡问题 1.7 标准大气
1.1 流体属性
1.1.1 连续介质的概念
流体力学和空气动力学是从宏观上研究流体（空气）的 运动规律和作用力规律的学科，流体力学和空气动力学 常用“介质”一词表示它所处理的流体。流体包括液体 和气体。
流体
1.1.4 流体的粘性 设 t 表示单位面积上的内摩擦力（粘性剪切应力），则
F U
Ah
如果高度h无限接近 （设为y方向），即两个相邻流层无限接 近，则流层间速度变化趋向于线性。则可以化为速度梯度：
du , (帕 N / m2 )
dy
这就是著名的牛顿粘性应力公式，它表明粘性剪切应力与速度 梯度有关，与物性有关。 （注：该公式也是流体易流性的数学表达式。）
空气动力学入门(1)1
•连续方程 连续方程: 连续方程
r ∫∫ ρ V ⋅ dS = 0
S
ρ1u1 A1 = ρ 2u 2 A2
(10.1)
•动量方程 动量方程 在定常、无粘、忽略体积力作用的假设下 在定常、无粘、忽略体积力作用的假设下, 积分 形式的动量方程可以写成： 形式的动量方程可以写成：
∫∫ ( ρV • dS )V = - ∫∫ pdS
同乘以速度u: 同乘以速度
ρu dA + ρuAdu + Au dρ = 0
2 2
(10.17)
(10.16)-(10.17)得: 得
dp = − ρudu
(10.18)
方程（ 方程（10.18）是定常、无粘、准一维流动的微分形 ）是定常、无粘、 式动量方程，这一方程也被称为欧拉方程。 式动量方程，这一方程也被称为欧拉方程。
ρ1
h1
ρ2
h2
Fig.10.5 Finite control volume for quasi-one-dimensional flow 准一维流有限控制体
∫∫ ρV • dS
A1
V • dS = 0
= − ρ1u1 A1
∫∫ ρV • dS
A2
= ρ 2u 2 A2
Fig.10.5 Finite control volume for quasi-one-dimensional flow
空气动力学教学大纲
空气动力学教学大纲( 40 学时)
一、课程的性质，目的和任务
本课程是航空航天类院校本科非飞行器设计与工程专业，如：安全工程、飞行器环境与生命保障工程等专业教学计划中的一门技术基础课。为安全工程专业学生的必修课。本课程的目的和任务是使学生掌握空气动力学的基本概念、基本理论，以及解决空气动力学问题的基本方法和分析手段。本课程的内容包括空气动力学的基本概念、低速流动和可压缩无粘流动的基本原理、绕翼型和机翼的不可压缩流动的薄翼理论和有限翼理论、激波理论等。
二、本课程的主要内容
绪论
0.1 空气动力学研究的基本任务
0.2 空气动力学的发展概况
0.3 空气动力学的分类
0.4 空气动力学的研究方法
0.5 我国空气动力学研究发展概述
第一章流体介质
1.1 连续介质假设
1.2 流体的密度、压强和温度
1.3 气体的压缩性、粘性和传热性
1.4 流体的模型化
1.5 标准大气
第二章流体运动学和动力学基础
2.1 流场
2.2 流体微团运动的分析
2.3 连续方程和流函数
2.4 漩涡运动
2.5 欧拉方程及其积分
2.6 流体力学中的动量定理
第三章不可压理想流体绕物体的流动
3.1 不可压理想流体的无旋运动
3.2 不可位流流动叠加举例
3.3 绕圆柱的无环量和有环量流动
3.4 二维对称物体扰流的数值解
第四章低速附面层
4.1 附面层概念
4.2 附面层的微分方程
4.3 卡门动量积分关系式
4.4 低速平板附面层及摩擦阻力计算
4.5 附面层的分离
第五章低速翼型的气动特性
5.1 翼型的几何参数
5.2 翼型的空气动力系数
5.3 低速翼型气动特性概述
第一章气体动力学基础讲稿.
上篇热工基础
概述
一、课程的性质任务
1、什么是热工过程,什么是热工设备?
热的来源、传递、利用过程；产生热量、利用热量的设备；包含的内容有：研究系统的工作介质、体系的性质以及做功等
2、该门课的性质：专业基础与技术课
课程的任务：是将热力学的基本原理知识、流体力学的基本知识与工程实际上的热工设备相结合，研究热工过程中的各参数变化情况。也就是说将讨论与热工过程有关的气体流动性质、气体性质、热的产生，传递、交换及过程中的物质交换等。
3、研究内容
二、课程特点：
强调“三传一反的能量交换”：动量、质量、热量传递、燃烧与烧成反应。
强调平衡概念：物料平衡、动量平衡、能平衡,
强调基本：基本概念、基本定律、基本方法、基本理论知识
强调理论与实践用基本的理论知识去理解硅酸盐行业常见的热工设备的工作原理。
强调分析问题、解决问题的能力。
三、课程的主要研究方法
1．数学方法：微分方程和积分方程的求解及数值求解；
2．分析方法：过程分析与数量级分析等；
3．模型方法：物理模型及数学模型的建立；
4．类比方法：热电类比及动量，质量，热量传递的类比等。
四、学习本课程的目的与意义
1、掌握本专业中所用的热工理论知识，用所学的知识解决工程中出现的问题。
2、在该基础上进一步的深入研究创新，开发新型的热工设备
五、本课程的基本要求
1、注重研究的方法和思路：要掌握基本概念、掌握基本理论的来龙去脉，强调概念明确、思路清晰。
2、注重理论应用，多做习题，熟悉基本概念与理论。
3、答疑、作业、课堂讨论、考试。
六、课时安排（７６学时）
绪论（1学时）
第一章气体力学在窑炉中的应用（10学时）
第1章 航空动力装置的基础知识
第一章 航空动力装置的基础知识
Flying College
Flying College of BinZhou University
© Mawenlai
© Mawenlai . All rights reserved
航空动力装置
第一节 气体的基本知识
1.工质： (1)定义:热机工作时，完成能量转化所赖以的媒介物质叫工作介质， 简称工质。 (2)气体是航空发动机的理想工质：与液体、固体比较，气体具有分子 运动最快、分子之间的空隙最大、分子之间作用力最小的特点，使气 体具有良好的膨胀性、压缩性和流动性，易于实现能量转化。 2.理想气体: (1)定义:分子本身只有质量而不占有体积，分子之间不存在吸引力的 气体。 (2)将航空发动机的工质气体都当作理想气体来处理航空发动机中所用 的工质(空气和燃气)，在P不太大的，T不太低的条件下，性质与理想 气体非常接近。将实际气体抽象为理想气体的目的，是为了简化问题 的讨论。
© Mawenlai . All rights reserved
航空动力装置
第二节 气流的基本知识
2.音速与马赫数 (1)音速:弱扰动波在介质中的传播速度。用a表示
Δp—受扰动后引起的介质压力微变量 Δρ-受扰动后引起的介质密度微变量 物理意义:描述了介质的压缩性。 a↑, Δρ ↓，不易压缩;a ↓, Δρ↑，容易压缩。 例如:常温下，水中音速为:1450m/s，空气中音速为340m/s。 对气体介质: 对空气(k=1. 4):
哈工大-空气动力学-第1章绪论及基础知识
升力 推力
升力 翼梢小翼 内向侧力 推力
5
激波
V1 a 1
V2 V1
激波阻力 Dsh m V1 V2 0
后掠机翼 边条涡
v2 理想不可压流体 p const 伯努利方程 2
假设 实际
库塔-儒科夫 儒可夫 L V 斯基定理
D 0 凯尔文定理 Dt
黏性
附面层 旋涡/涡量
Stokes定理
A
ndA c
环量从何而来？
翼型非对称附面层内涡量总和 即为导致升力的环量
4
飞行器气动部件及其空气动力学机理
平直机翼
Vn 是产生升力/激波的有效速度
后掠翼可提高产生激波的Macr
边条翼：下表面压力>上表面压力 气流旋转 涡旋转 涡心P低而V高 涡升力 流经部位压力低 边条涡 注入机翼表面气流能量推迟分离
6
高速气体（空气或燃气）在压缩性呈显著作用时的流动规
发动机气体动力学 律及其与物体之间的相互作用；
气体在物体内部（如发动机）的运动规律；
伯努利方程 动量守恒
DV p R Dt
忽略空气质量 定常流动 忽略黏性/理想流体 不可压流体
哈工大自动控制1-绪论
美籍匈牙利人R. E. Kalman发表“On the General Theory of Control Systems”等论文，引入状态空间法分 析系统，提出能控性，能观测性，最佳调节器和kalman 滤 波等概念，奠定了现代控制理论的基础(1960)。
※20世纪70年代，出现了以计算机控制为代表的自动化 技术，自动控制科学研究也出现了许多分支，如自适应 控制、混杂控制、模糊控制、神经网络控制等。
哈尔滨工程大学自动化学院
23
自动控制原理
第一章 自动控制的一般概念
（3）复合控制方式
把按偏差控制与按扰动控制结合起来，对于主要扰动采用适当
的补偿装置实现按扰动控制，同时，再组成反馈控制系统实现
按偏差控制，以消除其余扰动产生的偏差，即复合控制。
哈尔滨工程大学自动化学院
24
自动控制原理
第一章 自动控制的一般概念
哈尔滨工程大学自动化学院
27
自动控制原理
第一章 自动控制的一般概念
[实质] 检测偏差 纠正偏差
系统原理方块图
哈尔滨工程大学自动化学院
28
自动控制原理
第一章 自动控制的一般概念
Part 1-2-2飞机-自动驾驶仪系统
反馈电位器
给定电位器
飞机示意图
哈尔滨工程大学自动化学院
29
自动控制原理
空气动力学基础教学大纲
空气动力学基础教学大纲( 112 学时)
一、课程的性质，目的和任务
本课程是航空航天类院校本科飞行器设计与工程专业教学计
划中的一门技术基础课。为飞行器设计与工程专业学生的必修课。本课程的目的和任务是使学生掌握流体力学基本知识和空气动力学的基本概念、基本理论，以及解决空气动力学问题的基本方法和分析手段。本课程的内容可分为两大部分：低速空气动力学和可压缩空气动力学，包括了空气动力学的基本概念、低速流动和可压缩无粘流动的基本原理、绕翼型和机翼的不可压缩流动的薄翼理论和有限翼理论、激波理论、翼型亚音速和超音速线化理论及应用等。
二、本课程的主要内容
第一章空气动力学：一些引述概念
1．空气动力学的重要性：历史实例
2．空气动力学：分类和实际应用目的
3．一些基本空气动力学变量
4．气动力和力矩、压力中心
5．量纲分析：Buckingham Pi 定理、流动相似准则
7．流体静力学
8．流动的类型
9．应用空气动力学：气动力系数的大小和变化趋势
第二章空气动力学：一些基本准则和公式
1．矢量分析和场论复习
2．流体模型：控制体和流体微团
3．连续方程、动量方程、能量方程，动量方程的应用4．用实质导数表达的基本方程
5．流动的迹线和流线
6．旋转角速度、旋度、变形角速度，环量
7．流函数、势函数，流函数势函数的关系
第三章不可压无粘流基础
1．Bernoulli方程及其应用
2．不可压流中的速度边界条件
3．不可压无旋流的控制方程：Laplace方程
4．基本流动：均直流、源汇、偶极子和点涡，流动叠加5．绕圆柱有升力流动
6．Kutta-Joukovski定理
空气动力学基础教学大纲
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空气动力学基础教学设计纲领(112学时 >
一、课程的性质，目的和任务
本课程是航空航天类院校本科飞翔器设计与工程专业教学设计
计划中的一门技术基础课。为飞翔器设计与工程专业学生的必修课。本课程的目的和任务是使学生掌握流体力学基本知识和空气动
力学的基本观点、基本理论，以及解决空气动力学识题的基本方法
和剖析手段。本课程的内容可分为两大多数：低速空气动力学和可
压缩空气动力学，包含了空气动力学的基本观点、低速流动和可压
缩无粘流动的基来源理、绕翼型和机翼的不行压缩流动的薄翼理论
和有限翼理论、激波理论、翼型亚音速和超音速线化理论及应用等。
b5E2RGbCAP
二、本课程的主要内容
第一章空气动力学：一些引述观点
1．空气动力学的重要性：历史实例
2．空气动力学：分类和实质应用目的
3．一些基本空气动力学变量
4．气动力和力矩、压力中心
5．量纲剖析： Buckingham Pi 定理、流动相像准则
7．流体静力学
8．流动的种类
9．应用空气动力学：气动力系数的大小和变化趋向
1 / 7
1．矢量剖析和场论复习
2．流体模型：控制体和流体微团
3．连续方程、动量方程、能量方程，动量方程的应用4．用实质导数表达的基本方程
5．流动的迹线和流线
6．旋转角速度、旋度、变形角速度，环量
7．流函数、势函数，流函数势函数的关系
第三章不行压无粘流基础
1．Bernoulli方程及其应用
2．不行压流中的速度界限条件
3．不行压无旋流的控制方程：Laplace 方程
4．基本流动：均直流、源汇、偶极子和点涡，流动叠加5．绕圆柱有升力流动
空气动力学教材-飞行器设计与工程专业
d dx dy vdx udy 0
x
y
dx dy uv
2. B A Q 两点流函数之差等于通过其连线的体积流量.
Q
B
B
v ndl
A
A unx
B dx dy
A x
y
B
vny
dl
udy vdx
y U
F A
b
uy
• 发现内摩擦（剪应）力和变形速率呈线性
F: U
du
dy
Ab
——内摩擦力。产生原因：分子引力；分子动量交换。
——动力粘性系数（Pa.s）。 值越大，流体越粘，抵抗
变形运动的能力越强。＝（p,T）＝（T）
——运动粘性系数（m^2/s）。
water 1.07 10－6 (m 2 s)
2. 线形变运动
xx
u x
：x方向流体线的线变形速率;
yy
v y
：y方向流体线的线变形速率;
zz
w z
：z 方向流体线的线变形速率。
微团体积膨胀率：流体微团的体积在单位时间的相对变化。
1 d ( V ) u v w v V dt x y z
流体的流动性、粘性、可压缩性等物理性质 作用在流体上的力。
第1章 绪论(哈工大飞行器控制课件)
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飞行器制导与控制
邵春涛 2010.9
第1章 绪论
• • • • 1.1 课程概述和飞行器简介 1.2 飞行器的基本结构 1.3 本门课程的主要内容 1.4 参考书目
1.1 课程概述
• • • • • • 控制系统设计 → 被控对象的深入分析； 经济、人口、环境；机电、化工； 过程控制；快响应系统； 数学模型；可控、可测、可镇定量； 飞行器的导航、制导与控制； 导航与制导的概念，飞行器控制。
1.4 参考书目-1
• [1] 钱杏芳，导弹飞行力学，北京理工大学 出版社，2000 • [2] 邓正隆，惯性技术，哈尔滨工业大学出 版社，2006 • [3] 孟秀云，导弹制导与控制系统原理，北 京理工大学出版社，2003 • [4] 秦永元，惯性导航，科学出版社，2006
1.4 参考书目-2
航天器----卫星、空间站和航天飞机，特点： a) 没有翼面和舵面(结构上) b) 轨道运行 c) 飞行高度较高 (2000km低轨) (36000km同步) (国际空间站 278-460km)
嫦娥一号
Endeavour
1.1.3 导弹和火箭
火箭，通常指运载工具； 导弹类型众多，按飞行 高度区分，有： 巡航导弹(舰舰、岸舰)； 防空导弹(空地)； 空空导弹； 弹道导弹(潜射)等。
• [5] 郭素云，陀螺仪原理及应用，哈尔滨工 业大学出版社，1985 • [6] 刘兴堂，导弹制导控制系统分析、设计 与仿真，西北工业大学出版社，2006 • [7] 雷虎民，导弹制导与控制原理，国防工 业出版社，2006 • [8] 周荻，寻的导弹新型导引规律，国防工 业出版社，2002
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流体静力学 流体动力学
液体
水力学 理论流体动力学 润滑理论
气体 无黏流动 黏性流动
变化小
变化大
不可压缩低速
空气动力学 高度或低压影响
高速影响
动力气象学 稀薄气体动力学
气体动力学 亚/跨/超声速空气动力学 高超声速空气动力学 电磁流体动力学 3
基本任务：空气、气体的运动规律及其与固体之间相互作用力
诱导阻力
内向侧力
升力 推力
翼梢小翼
内向侧力
升力
5
推力
激波
V1 a 1
V2 V1
激波阻力 Dsh m&V1 V2 0
后掠机翼
平直机翼
Vn 是产生升力/激波的有效速度 后掠翼可提高产生激波的Macr
边条涡
边条翼：下表面压力>上表面压力
气流旋转 涡旋转 边条涡
涡心P低而V高 流经部位压力低
涡升力
分子密度低 电离弱
80km< 黑障区
< 54.8km
大气稠密减速至一定程度 温度低电离弱
10
空气/气体动力学的其他应用
鸟类/昆虫飞行及扑翼机
合力
升力
推力
均匀来流 合速度
扑动速度
机动性强 举升/推进/悬停/快速变向等动作集于一个扑翼系统 大升力 利用非定常机制，其升力远高于常规飞行器，能够在低雷诺数条件下飞行。
假设
库塔-儒可科夫 斯基定理
L V
凯尔文定理 D 0 Dt
实际
环量从何而来？
黏性
附面层 旋涡/涡量
Stokes定理
rr
A ndA c
翼型非对称附面层内涡量总和 即为导致升力的环量
4
飞行器气动部件及其空气动力学机理
翼尖尾涡 下洗速度
诱导阻力 实际升力 有效迎角 升力
来流 下洗角
尾涡
翼梢小翼
削弱尾涡 阻挡气流上卷 下洗速度
车辆空气动力学
空气阻力
车型迎风阻力 拖曳涡涡阻 表面摩擦阻力
占62% 占9%
空气阻力下降10%
外部零件干扰阻力 占17% 油耗降低5%
内部气流阻力 占12%
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体育中的空气动力学
旋转球
香蕉球
弧圈球
黏性
上表面流体流速高低压 下表面流体流速低高压
侧向力 马格努斯力
顺时针旋转圆柱
不对称分离 侧向力
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研究方法
运动规律 相对普适 解析解
简化方程
科学抽象/数学方法得到定量结论 揭示物理现象的内在规律/具有相对普适性 抽象模型简化无法满足复杂实际问题的研究需要 非线性偏微分方程组解析解困难强烈依赖数学分析方法、数学理论的发展
连续介质假设 分子统计力学
化Fra Baidu bibliotek反应
空气电离
等离子鞘套 等离子体振荡频率
黑障 气动热化学
无线电截止频率无线电信号屏蔽
常温常压 O2占20% N2占80%完全气体 P RT 2000K<T<4000K O22O 4000K<T<9000K N22N 9000K<T 原子电离OO++e- NN++e- O,N,阳离子O+, N+和自由电子的等离子体
激波及激波阻力
阻力系数 消耗3/4功率
活塞发动机高速时螺旋桨效率低、桨尖易产生激波喷气发动机 降低波阻的超音速气动布局如后掠翼、面积率蜂腰机身等
音爆云
激波后气体 急剧膨胀降压降温
潮湿天气
气温低于露点 水汽凝结水珠
云雾
超音速 低压气流
局部正激波 斜激波
局部亚音气流 超音/亚音气流
压缩减速
膨胀加速
超音速气流
压强脉动形成声波 辐射声波
龙卷风 积雨云中大范围分布的涡量
由下降气流带到地面
涡管拉细/涡量增强
地面气压急剧下降/风速急剧上升
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森林空气动力学 建筑物空气动力学
树木风阻∝风速：种植方式避免风害 风阻树冠/树叶： 树叶在高速风中结构变形 种子传播：繁衍规律、仿生力学
高/矮建筑物间涡流：风速大于普通布局的3-4倍 建筑物迎背风面： 背风面低压吸力效应 斜屋顶：倾斜角较小吸力效应屋顶掀翻
燃烧室/燃烧 扩张喷管
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气流超音速喷出 推力
航天空气动力学
热障及黑障
热辐射 热传导
动能热能 黏性 摩擦力 摩擦生热 可压缩性 激波 压缩增温
气流带走
加热飞行器表面 结构强度
刚度
热障 气动热力学
F16战斗机 Ma=2温度120℃铝合金 黑鸟SR-17侦察机 Ma=3温度370℃93%钛合金 航天飞机 Ma=36温度11000K硅瓷片防护瓦、烧蚀材料
空气动力学基本理论 风洞/水洞/其他实验台架
模型 实物
学时1
基础性 应用性 开拓性
实验研究
结果真实/可靠//丰富 为理论分析/数值计算提供依据 尺寸/边界/测试仪器及方法限制 耗时/耗力/耗经费
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基本概念如连续介质
理论研究 定律如三大守恒定律
数学工具如复变函数
具体物理现象 主次因素
抽象模型 定量分析
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绕障碍物流动的卡门涡街
低Re数 绕流运动
周期性脱落
旋向相反 排列规则
双列线涡 即卡门涡街
塔科玛峡谷桥风毁事件及电线风鸣声
19米/秒的风流经边墙 风吹电线
卡门涡街
涡交替发放
流体物体施加横向交变侧向力 物体流体施加横向交变气动力
上下逆向旋涡 带走动量方向相反
桥梁振动
涡发放频率 桥梁结构的固有频率
共振破坏
航空、航天、汽车/列车、建筑/桥梁、叶轮机械（风机/汽轮机等）、
天气预报、船舶、体育运动、……
航空飞行器空气动力学
空气流过飞行器外部时运动规律
升力储备：爬升、机动飞行 气动效率：高升阻比 稳定性、操控性 表面压力及换热规律：材料、结构
飞行器升力及形成机理
理想不可压流体 伯努利方程
p v2 2
const
注入机翼表面气流能量推迟分离
6
高速气体（空气或燃气）在压缩性呈显著作用时的流动规
发动机气体动力学 律及其与物体之间的相互作用；
气体在物体内部（如发动机）的运动规律；
航空发动机主要部件及其作用
压气机/风扇：气体增压
燃烧室：气体加热
7
涡轮：气体膨胀
音障/音爆/音爆云
弱压缩波
正激波及阻力 斜激波
音障
楔型体 超音速运动
空气动力学
第一章 绪论及基本概念、知识
授课教师：陈浮
哈尔滨工业大学 能源科学与工程学院 推进理论与技术研究所
1
8学时
教材：空气与气体动力学引论 李凤蔚
1.第一章p1~9，p20~22； 2.第二章p25~36，p39~40； 3.第六章p156~161； 4.第十四章p344~354。
2
空气与气体动力学的任务、研究方法及发展
尾激波
压缩减速
音爆 激波面上声学能量高度集中，这些能量让人感受到短暂而极其强烈的爆炸声。 8
冲压发动机
亚燃冲压发动机 3<Ma<6
进气道及扩压段 斜激波及正激波
气流增压至亚音速
燃烧室 燃烧
拉伐尔喷管 气流超音速喷出
推力
超燃冲压发动机
进气道/斜激波 气流增压且超音速
隔离段 附面层诱导激波串
气流继续增压