空气动力学基本理论(1)
空气动力学基本理论—空气动力曲线
气动力系数曲线
1. 升力系数曲线 2. 阻力系数曲线 3. 升阻比曲线 4. 极曲线
在飞行马赫数小于一定值时，只与机翼的形状 （机翼翼型、机翼平面形状）和迎角的大小有关。 当迎角改变时，气流在机翼表面的流动情况和机 翼表面的压力分布）都会随之发生变化，结果导 致了机翼升力和阻力的变化，压力中心位置的前 后移动。
D.曲线最高点的纵坐标值表示最大升阻比
4.从原点作极曲线的切线,切点所对应的迎角值是()
A.最大迎角 B.有利迎角 C.最小迎角 D.临界迎角
小结
四条曲线 • 升力系数曲线 • 阻力系数曲线
升阻比曲线 极曲线
有什么？ 为什么？
• 在迎角小于一定值时 （小于最大升力系数对 应的迎角），升力系数 与迎角近似成线性关系， 随着迎角的增加而增加， 由负值增大到零到正值 再到最大值，
• 当超过临界迎角时，转 折开始下降。
机翼压力中心位置随迎角的变化
机翼的压力中心：机翼气动力合力的作用点。 随着迎角的改变，机翼的压心的位置会沿飞机 纵向前后移动（对称翼型除外）。
不同迎角下的机翼升力
迎角由小逐渐增大时，机翼上表面前段吸力增 大，压力中心前移
超过临界迎角后，机翼前段和中段吸力减小， 而后段稍有增加，压力中心后移
二、阻力系数曲线
阻力系数变化规律
• 任何情况下阻力都不等于零 • 零升阻力系数CD0 • 在迎角等于零度附近，阻力系
数最小 • 随着迎角绝对值的增加而增大，
• 着迎角的增加，升阻比增大， 由负值增大到零再增大到最 大值
• 随着迎角的增加而逐渐减小
升阻比在迎角等于4° 时达到最大，该值称 为有利迎角
在升阻比达到最大值的状态下飞 行是最有 利的，因为，这时产生 相同的升力，阻力最小，飞行效 率最高。所以升阻比也叫做气动 效率
空气动力学理论基础
1 2 1 2 + p∞ + ρ v1 = p + ρ v 1 2 2 2 2 + − ⇒ p − p = ρ (v1 − v2 ) 1 2 1 2 − 2 p + ρ v = p∞ + ρ v 2 2 2
8
v1 + v2 1 2 2 ρ (v1 − v2 ) A = ρ Av (v1 − v2 ) 即 v = 2 2 引入速度减少率 a（轴向诱导因子）： （轴向诱导因子）： v1 − v a= v1 则 v2 = v1 (1 − 2a )
7
根据不可压缩流体连续性 方程 p∞ v1 A1 = vA = v2 A2
A1 p+ v1
A pv
A2 p∞ v2
据动量方程得风轮受到空 风轮 气的推力为 T = ρ Av (v1 − v2 ) 推力还应该等于风轮前后静压力差与风轮面积 + − 的乘积， 的乘积，即 T = ( p − p ) A 由伯努里方程得
CT = 1 ρ Av12 2 = 1 ρ Av12 2
= 4a (1 − a )
（3）贝茨极限为 ）贝茨极限为0.593。实际上，由于风速、 。实际上，由于风速、 风向随机变化等复杂的气动问题， 风向随机变化等复杂的气动问题，以及叶片表 面粗糙度的摩擦损失等方面的影响， 面粗糙度的摩擦损失等方面的影响，一般认为 功率系数达到40%就比较满意了。 就比较满意了。 功率系数达到 就比较满意了
C P,d
1 3 Pw = ρ Av1 2
v1 v v2
P Tv Tv = = = = C Tε 1 2 v1 Pw 1 3 ρ Av1 ρ v1 vA 2 2 v
14
独立风轮
T
C P,0 = 4a(1 − a )2
空气动力学基础理论及应用
空气动力学基础理论及应用空气动力学是研究空气对运动物体产生影响的学科，它是航空、航天、汽车、建筑等领域的重要基础理论。
空气动力学研究的对象是运动物体在空气中受力和运动状态等问题，这些问题涉及空气流动、气体压力、动量、能量等物理量。
本文将从空气动力学的基础理论、空气动力学在航空领域的应用以及未来的发展趋势三个方面进行探讨。
一、空气动力学基础理论1.1 空气的基本物理性质空气是由各种气体混合在一起形成的，其中最主要的成分是氮气、氧气和二氧化碳。
空气的物理性质包括密度、粘度、温度等等。
1.2 空气流动的基本形式空气流动包括定常流动和非定常流动，定常流动是指空气流动状态不随时间变化或是很缓慢地随时间变化，如静止空气中飞机飞行时的气流；非定常流动是指空气流动状态随时间变化而变化，如气象条件不断变化导致的气流。
1.3 空气动力学力学模型空气动力学力学模型分为二维模型和三维模型，二维模型是指将空气流动看作平面二维的，可以用二维平面的流体力学模型来描述；三维模型则是指考虑空气流动在三个维度上的变化，需要用三维流体力学模型来描述。
1.4 推导气体静压力公式静压力是指空气在物体表面上所产生的压力，它可以用气体动力学的基本理论，即流体静力学的连续性方程、动量守恒方程和能量守恒方程来推导出。
例如，对于一个静止的物体而言，其表面上的静压力可以表示为：P = ρgh其中，P表示静压力，ρ表示空气密度，g表示重力加速度，h表示物体表面上某一点与大气之间的距离。
二、空气动力学在航空领域的应用2.1 飞机的气动设计飞机的气动设计是指根据空气动力学的基本理论，对飞机的机翼形状、机身结构等进行设计，以便能够有效地减小空气阻力，并且能够更好地实现飞机的稳定飞行。
气动设计一般包括很多方面的内容，如翼型选取、机身布局设计、飞行控制系统设计等等。
2.2 飞行稳定性和控制飞行稳定性和控制是指在飞机受到外来干扰时，如何通过飞机自身的特性来保持飞行的稳定性和控制性，以便能够平稳地飞行。
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、22v p constρ+=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1V a >21V V <()120sh D mV 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8y 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燃烧室燃烧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气流超音速喷出航天空气动力学y 可压缩性黏性摩擦生热气流带走加热飞行器表面Ma=2⇒温度≈120侦察机Ma=3⇒温度y 热障结构强度↓刚度↓热能热辐射热传导气动热力学常温常压2000K<T<4000K 9000K<T 分子密度低11空气y 扑动速度均匀来流合速度合力升力推力机动性强举升/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。
空气动力学的基础理论
空气动力学的基础理论空气动力学是研究物体在空气中运动的科学，它对飞行器设计与性能优化具有重要意义。
本文将从空气动力学的基础理论入手，介绍气动力、流体力学以及相关的实验方法。
一、气动力学基本概念气动力学是研究运动物体与周围气流相互作用的学科，其中重要的概念包括气动力和气动力系数。
气动力是指空气对物体施加的力。
根据牛顿第二定律，物体所受的气动力与其质量和加速度成正比，与气流速度和密度有关。
气动力可分为升力和阻力两个方向，其中升力垂直于气流方向，使飞行器产生升力；阻力平行于气流方向，使飞行器受到阻碍。
气动力系数是将气动力与流体的速度、密度、物体特性等无量纲化的比值，是空气动力学研究中常用的参考指标。
常见的气动力系数有升力系数、阻力系数、升阻比等。
二、流体力学基本原理在空气中运动的物体受到空气流体的阻力和升力的影响，因此了解流体的基本原理对于理解空气动力学至关重要。
1. 理想流体模型理想流体模型假设流体是无黏性、无旋转、不可压缩的。
在此假设下，流体的运动可以通过欧拉方程或伯努利方程来描述。
欧拉方程描述了流体中的速度和压力分布。
通过欧拉方程，可以研究不可压缩理想流体的运动状态。
伯努利方程描述了流体在不同区域的速度、压力和高度之间的关系。
伯努利方程表明，当流体速度增大时，压力将下降，反之亦然。
2. 边界层理论在实际气流中，流体的黏性导致了边界层的存在。
边界层是沿着固体表面形成的流速逐渐变化的一层流体。
边界层理论通过分析边界层的速度分布和压力分布，研究物体与流体之间的摩擦力和压力分布。
边界层厚度和摩擦阻力是设计飞行器时需要考虑的重要因素之一。
三、空气动力学实验方法实验方法在研究空气动力学中起着关键作用，通过实验可以验证理论模型，并为飞行器的设计和改进提供依据。
1. 风洞实验风洞实验是模拟真实空气流动场景的方法之一。
通过在风洞中放置模型，可以获得模型在不同风速下的升力和阻力等数据，从而分析空气动力学性能。
2. 数值模拟数值模拟是使用计算机模拟和解析相关方程来研究空气动力学。
空气动力学
空气动力学空气动力学，又称为空气力学，是研究空气在物体表面流动产生的作用力及其变化规律的学科。
它是研究航空、航天等领域中的重要基础工程学科。
本文将从空气动力学的基本理论、应用及发展前景三个方面进行讲解。
一、空气动力学的基本理论1. 流体运动基本方程空气动力学研究空气在物体表面流动产生的变化规律，因此，必须首先了解流体运动的基本方程。
流体运动基本方程可分为三个方程，分别是连续性方程、动量守恒方程和能量守恒方程。
这三个方程讲述了液体或气体在运动过程中物质守恒、动量守恒和能量守恒的基本现象。
在空气动力学中，常常将连续性方程和动量守恒方程一起表示为Navier-Stokes方程组。
2. 边界层理论在空气动力学中，物体表面与空气之间的接触面形成了一个边界层。
边界层内的流动速度由于摩擦力的作用而降低，流速梯度迅速增大，流动变得非常不规则。
由于流动不规则，导致边界层内的流动无法用Navier-Stokes方程组解析，因此需要采用边界层理论来描述边界层内的流动。
边界层理论主要包括两个关键概念：边界层厚度以及失速现象。
边界层厚度是指从物体表面开始，空气流动速度下降到1/99最大速度时，空气的流动状态转变为虫状流动的距离。
失速现象是指在边界层内由于压力梯度过大，空气流速超过速度极限而失速的现象。
3. 升力和阻力在飞行器运行的过程中，除去重力，另一重要的作用力就是空气对于飞行器的阻力和升力。
升力是指飞行器在空气中的上升力，阻力是指飞行器在空气中的阻碍力。
升力和阻力的作用机理采用了符合空气动力学规律的气动力学原理，美国为普朗克方程，德国为刘第二定理。
二、空气动力学的应用空气动力学是应用广泛的工程学科，主要应用于航空、航天、汽车、风力发电等领域。
下面介绍空气动力学在航空和航天领域的应用。
1. 飞行器气动特性飞行器的气动特性是指飞行器在空气中运动时，受到空气动力学作用的特性。
通过空气动力学实验和数值模拟，可以研究气动特性的各种参数，如阻力、升力、升力系数等。
空气动力学基础知识
空气动力学基础知识目录一、空气动力学概述 (2)1. 空气动力学简介 (3)2. 发展历史及现状 (4)3. 应用领域与重要性 (5)二、空气动力学基本原理 (6)1. 空气的力学性质 (7)1.1 气体状态方程 (8)1.2 空气密度与温度压力关系 (8)1.3 空气粘性 (9)2. 牛顿运动定律在空气动力学中的应用 (10)2.1 力的作用与动量变化 (11)2.2 牛顿第二定律在空气动力学中的体现 (13)3. 空气动力学基本定理 (14)3.1 伯努利定理 (15)3.2 柯西牛顿定理 (16)3.3 连续介质假设与流动连续性定理 (17)三、空气动力学基础概念 (18)1. 流体力学基础概念 (19)1.1 流速与流向 (20)1.2 压力与压强 (21)1.3 流管与流量 (22)2. 空气动力学特有概念 (23)2.1 空气动力系数 (25)2.2 升力与阻力 (26)2.3 空气动力效应与稳定性问题 (27)四、空气动力学分类及研究内容 (28)1. 空气动力学分类概述 (30)2. 理论空气动力学研究内容 (31)一、空气动力学概述空气动力学是研究流体（特别是气体）与物体相互作用的力学分支，主要探讨流体流动过程中的能量转换、压力分布和流动特性。
空气动力学在许多领域都有广泛的应用，如航空航天、汽车、建筑、运动器材等。
空气动力学的研究对象主要是不可压缩流体，即流体的密度在运动过程中保持不变。
根据流体运动的特点和流场特性，空气动力学可分为理想流体（无粘、无旋、不可压缩）和实际流体（有粘性、有旋性、可压缩）两类。
在实际应用中，理想流体问题较为简单，但现实生活中的流体大多具有粘性和旋转性，因此实际流体问题更为复杂。
空气动力学的基本原理包括牛顿定律、质量守恒定律、动量守恒定律、能量守恒定律等。
这些原理构成了空气动力学分析的基础框架，通过建立数学模型和求解方程，可以预测和解释流体流动的现象和特性。
空气动力学的理论基础及实用方法
空气动力学的理论基础及实用方法空气动力学是研究气体在流体力学背景下的运动和力学行为的学科。
他是现代航空、天空科学中发展最快、知识量最大的分支之一，伴随着人类勇攀高空和深空的追求，空气动力学的发展也变得格外重要。
本文将从空气动力学的理论基础和实用方法两方面进行探讨。
一、理论基础1. Reynold数海洋的浪花漫过了沙滩，空气在空中飘荡。
然而，对于运动的物体而言，无论它们是飞机或者是汽车，来自气流的阻力就会阻碍物体前进的速度。
对于能够调整它们的运动方式，减少阻力的机制而言，Reynold数就是理论基础中的重要参数。
Reynold数可以看作是“速度除以粘性系数的比值”，用来判断气体是否可以被视为一层不可压缩的物质。
具体而言，如果Reynold数小于2100，那么气流被视为层流；如果Reynold数大于4000，那么气流被视为湍流；如果在2100和4000之间，则转换区域并不稳定，需要使用难度更大的数学公式进行分析。
2. 化学反应在空气动力学中，化学反应同样是理论基础的重要组成部分。
一些创新的技术，如喷水等操作，都是基于控制化学反应过程来实现的。
例如，在涡流喷气发动机（turbofan）中，高压气流经过燃料喷嘴时，与燃料相互作用，产生高能量燃烧反应，从而提供大量的推力。
但是，要了解从燃料到推力的过程涉及到大量的化学和物理学知识，这些学科相互依存，彼此交错。
因此，在工程领域中实际应用这些基础理论时，必须进行准确和细致的计算和论证。
3. Navier-Stokes方程Navier-Stokes方程是描述气动力学现象的一组完整的方程式。
它是描述空气运动、热、质量传递和化学反应的主要背景，几乎出现在每个研究气动力学问题的工程师和科学家的笔记本上。
Navier-Stokes方程的组合与运动物体的物理性质相互交互，为研究气动力学现象打下了基础。
二、实用方法1. 试验试验是空气动力学研究的中心，通过对实际的研究对象进行测量和分析，来验证和完善理论预测。
空气动力学原理
空气动力学原理空气动力学原理是研究空气在物体表面作用下产生的力的学科，主要用于飞行器、汽车、建筑物等工程设计中。
空气动力学原理的理论基础包括气体力学、流体力学和运动学，它们解释了空气对物体的压力、阻力和升力产生的原理。
本文将介绍空气动力学原理的基础概念和应用。
1. 气体力学气体力学是研究气体的性质和行为的学科。
在空气动力学中，气体力学的基本原理包括气体的状态方程、气体分子的速度分布和气体分子与物体之间的碰撞。
根据气体力学的原理，我们能够计算流经物体表面的气体的压力和温度分布，从而理解空气对物体表面产生的力。
2. 流体力学流体力学是研究流体（液体和气体）的运动规律和性质的学科。
在空气动力学中，流体力学的基本理论包括连续性方程、动量方程和能量方程。
这些方程描述了空气在不同速度和压力下的流动方式，通过解析这些方程，我们可以预测空气在物体表面的流动情况。
3. 升力和阻力在空气动力学中，升力和阻力是两个重要的概念。
升力是空气对物体垂直于运动方向的力，而阻力是空气对物体平行于运动方向的力。
升力和阻力的产生与物体表面的形状、大小和运动状态有关。
对于飞行器来说，升力的产生是通过翼型的气动性能，而阻力则与飞行器的阻力系数和速度有关。
4. 翼型与气动力性能翼型是飞行器上机翼的横截面形状。
在空气动力学中，翼型的形状决定了空气在其上表面和下表面的流动情况，进而影响了升力和阻力的产生。
常见的翼型包括对称翼型、半对称翼型和非对称翼型，它们具有不同的气动力性能。
通过对翼型的气动力学性能进行研究和优化，可以提高飞行器的升力和降低阻力。
5. 应用领域空气动力学原理在多个领域有广泛的应用。
在航空航天工程中，空气动力学原理被用于设计和改善飞机、火箭和卫星的气动外形，以提高其飞行性能。
在汽车工程中，空气动力学原理被用于减少汽车在高速行驶时的空气阻力，从而提高燃油经济性。
在建筑工程中，空气动力学原理被用于对高层建筑、桥梁和其他结构物的风载荷进行估算和设计。
哈工大-空气动力学-第1章绪论及基础知识
纳维-斯托克斯 黏性流体运动方程：N-S方程 雷诺
雷诺实验 层流/湍流 雷诺平均N-S方程 附加雷诺/湍流应力
DV p R Dt
空气-气体动力学
兰金和雨贡纽：激波前后气动参数关系式 瑞利和泰勒：激波关系单向性 马赫：马赫角关系 阿克莱：Ma=V/a 普朗特和迈耶：斜激波和膨胀波理论 布兹曼：圆锥激波解的图解法 泰勒和马可尔：圆锥激波解的数值解 拉伐尔：发明拉伐尔/缩放喷管 斯多道拉、普朗特和迈耶：拉伐尔喷管流动特性
12
森林空气动力学
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
建筑物空气动力学
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
车辆空气动力学
2
空气与气体动力学的任务、研究方法及发展
流体力学
流体静力学 液体
水力学 理论流体动力学 润滑理论
流体动力学 气体 无黏流动 黏性流动
变化小
不可压缩低速 空气动力学 高度或低压影响
动力气象学 稀薄气体动力学
变化大 高速影响
气体动力学 亚/跨/超声速空气动力学 高超声速空气动力学 3 电磁流体动力学
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。
11
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
空气动力学的研究及其应用
空气动力学的研究及其应用空气动力学是研究物体在流体（主要是空气）中受到的力和运动的学科。
它广泛应用于飞行器、汽车、建筑、能源、环境等各个领域。
随着科学技术的不断发展，人们对空气动力学的研究越来越深入，其应用也更加广泛。
一、空气动力学的基本理论理解空气动力学的基本理论对于应用它来解决实际问题是至关重要的。
1.流体力学基础流体力学是研究流体运动的科学，包括了液体和气体。
流体力学的基本方程是质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程。
其中，质量守恒方程是指在任意给定时刻，进入流体控制体与流体控制体内的质量总和相等；动量守恒方程是指在任意给定时刻，进入流体控制体的动量和流体控制体内产生的动量之和相等；能量守恒方程是指在任意给定时刻，进入流体控制体的能量和流体控制体内的能量之和相等。
2.空气动力学基础空气动力学是研究自由空气中物体的运动和相互作用的学科。
空气动力学是研究物体在流体中所受到的各种力的产生、传递、转换和作用机理的学科。
空气动力学的工作依靠计算机辅助工具，如数值模拟，计算流体力学等手段进行研究和实验。
3.气流的流动分析气流是指在一个流体中以一定速度飞行的气体流动，容易受到各种因素的影响。
气流的流动分析可以采用数值模拟，计算流体力学等手段。
气流的流动分析可以分析的内容包括：气体的密度分布、气流的流场特性、气体在流动中的变化等等。
二、空气动力学的应用空气动力学的应用在不同地方有不同的表现，掌握空气动力学的应用可以帮助了解机械、航空、化学等科学的发展。
1.飞行器空气动力学对于飞行器的研究与设计是非常重要的。
飞行器的外形、传热、气动性能等都与空气动力学有关。
在飞行器研发中，需要进行空气动力学的计算、实验和模拟，来评估飞行器的性能和稳定性。
2.汽车汽车也是一个受到空气动力学影响的领域。
设计者可以利用空气动力学原理来改善汽车的外观，提高汽车在高速行驶中的稳定性和减少风阻等。
在汽车研发中，需要进行风洞测试和数值模拟，来优化汽车的气动性能。
空气动力学的基础理论与应用
空气动力学的基础理论与应用空气动力学是研究物体在空气中运动时，所受到的气动力及其作用性能的科学。
自人类研制飞行器以来，空气动力学便成为飞行器设计和研究的重要领域。
但实际上，空气动力学研究的范围远不止飞行器，还适用于汽车、高铁、桥梁等领域。
本文将介绍空气动力学的基础理论和应用。
一、空气动力学的基础理论1.流体力学空气动力学的基础理论是流体力学，它主要研究流体的运动方式和运动规律。
在空气动力学中，流体大多指气体。
气体的流动可以分为层流和湍流。
层流指气流的运动呈现平滑的状态，流线整齐，速度分布均匀，剪应力小。
而湍流则是气流的运动方式呈现混沌、无规律的状态，流线混乱，速度分布不均匀，剪应力大。
2.空气动力学基本方程空气动力学基本方程包括质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程。
质量守恒方程描述的是气体内部质量的守恒。
动量守恒方程描述的是气体内部动量的守恒。
能量守恒方程描述的是气体内部能量的守恒。
这些方程组成了解决气体流动问题的数学基础。
3.气动力学气动力学研究物体在空气中运动时所受到的气动力。
气动力可以由压力力和剪力组成。
气体静压力是气体由于分子速度和数密度变化产生的压力。
气体剪切力是气体分子之间的相互作用力，作用在物体表面上。
二、空气动力学的应用1.飞行器在飞行器设计中，空气动力学是不可或缺的。
飞行器的气动外形和气动力性能的研究需要应用空气动力学的基础理论和计算方法。
在工程实践中，需要进行气动计算、模拟和试验研究，以验证新型设计的气动性能，并进行数据分析和优化。
2.汽车汽车空气动力学研究主要是优化车身外形和改善车辆的空气动力性能。
优化车辆外形可以提高燃油效率、降低汽车空气阻力、提高安全性和稳定性。
在汽车设计中，也需要进行气动计算、模拟和试验研究，以验证新型设计的气动性能，并进行数据分析和优化。
3.高铁高铁空气动力学研究主要是优化列车外形和改善列车的空气动力性能。
在高速列车行驶过程中，空气阻力对列车运行速度和能源消耗有着重要影响。
空气动力学理论分析及其应用
空气动力学理论分析及其应用空气动力学是物理学的一个重要分支，它研究气体在物体表面流动产生的力量和热量作用，以及物体在空气中运动的特性。
在现代航空、航天、汽车、高铁等领域，空气动力学理论的运用已经成为产品设计与研发的重要工具。
本文将介绍空气动力学理论的基本概念，分析空气动力学的应用和未来发展的方向。
一、空气动力学的基本概念1、空气动力学的性质在大气中，物体在运动时，会受到气流的阻力和升力。
阻力是物体运动方向相反的力，当物体在空气中运动时，阻力时刻作用于物体表面，使得物体的速度不断降低。
而升力则是与阻力反向的，是物体垂直于运动方向的力，使物体产生向上浮力。
阻力和升力的大小与速度、密度、物体形状等因素有关。
2、空气动力学的公式空气动力学的公式主要包括空气阻力公式和空气升力公式。
空气阻力公式：F=0.5ρv²S*Cd，其中F为空气阻力，ρ为空气密度，v为物体速度，S为物体表面面积，Cd为空气阻力系数。
空气升力公式：L=0.5ρv²S*Cl，其中L为升力，Cl为升力系数。
这两个公式可以帮助我们计算物体在空气中的行为。
3、空气动力学的实验空气动力学的实验通常使用风洞进行模拟。
风洞是一个能够模拟风速、气体密度等参数的试验设备。
通过风洞实验可以得到物体在不同环境条件下的阻力和升力系数，进而进行产品的设计和改进。
二、空气动力学的应用1、航空航天领域空气动力学理论在航空航天领域发挥着重要作用。
飞机、火箭等空中器具需要经过严格的空气动力学计算，以确保其稳定、高效的运行。
空气动力学也可以帮助我们了解飞机飞行过程中产生的噪音、震动等问题，进而进行优化改进。
2、汽车领域汽车是我们日常生活中使用最多的交通工具之一。
空气动力学理论在汽车设计中的应用也越来越普遍。
通过分析车辆的空气阻力和升力等因素，可以为汽车的设计带来更好的车身流线、降低燃料消耗、减少噪音等效果。
3、高铁领域高铁在近几年成为了我国交通出行中的主力军。
空气动力学理论与研究方法
空气动力学理论与研究方法随着科技的飞速发展，尤其是航空航天技术的不断进步，空气动力学理论和研究方法成为了人们关注的热点话题。
空气动力学是研究物体与周围空气流动的相互作用关系，以及由此产生的力和运动的学科。
本文将从空气动力学理论和研究方法两个方面来阐述。
一、空气动力学理论1.气体力学气体力学是空气动力学的基础。
气体力学的研究对象是气体分子在流动中的运动规律。
在空气动力学中，气体力学主要用于研究流体的流动，包括速度、压力、密度等的变化规律。
2.受力分析在空气动力学中，物体的运动状态取决于受到的作用力。
受力分析是研究力的大小、方向和作用点等性质，以及它们在物体上产生的效果的学科。
在空气动力学中，受力分析主要用于计算物体在空气流动条件下所受的阻力、升力、剪切力等力的大小。
3.流场技术流场技术是在航空航天领域中实现气动优化设计的一种方法。
它的基本思想是通过对空气流动的流场进行数值模拟，获得气动力学参数，来指导气动优化设计。
流场技术的研究内容包括数值模拟方法、模型几何参数的设定、边界条件的确定等。
4.气动实验技术气动实验技术是检验数值模拟的准确性和可信性的一种方法。
它通过对物体在流场中的实际运动状态进行测量，来验证气动力学模型的正确性和精度。
气动实验技术涉及到流场实验、气动力学实验、模型制造、实验数据处理等方面。
二、空气动力学研究方法1.数值模拟方法数值模拟方法是指在计算机上对物体在空气流场中运动状态进行模拟的方法。
数值模拟方法可以较准确地预测气动参数，为气动设计提供数值化和定量化的依据。
数值模拟方法的常用软件包括ANSYS、CFD-ACE、FAST等。
2.物理模型试验方法物理模型试验方法是指在实验室中对模型进行气动测试的方法。
物理模型试验方法可以提供真实的物理数据，可以验证气动数值模拟的可靠性和准确性。
物理模型试验方法的常用设备包括风洞、烟气实验室等。
3.全尺寸飞行试验方法全尺寸飞行试验方法是指对实际飞行载具进行直接进行气动测试的方法。
空气动力学基本理论—大气物理参数
凝结，从而形成云、雾、降水等各种气象，而这些都会影响 飞机的飞行安全。所以，了解露点温度对飞行安全十分重 要。 含有水蒸气的空气比干空气密度小、重量轻，这对飞机的起 飞性能也有影响。
声速
声速是小扰动在介质中的传播速度，单位：米每秒（m.S1） 声速成因：物体的振动在介质中引起的小扰动会以介质不 断被压缩（压力和密度增大）、膨胀（压力和密度减小） 的形式向四周传播，形成介质疏密交替变化的小扰动波。
大气密度
单位体积内流体的空气质量，简单来说 就是空气稠密的程度。
＝ m
V
国际单位制中，单位为kg/m3 空气密度大，说明单位体积内的空气分子多，比较稠密；反之相反。
由于地心引力的作用，大气的密度随高度的增加而减少，近似按指数曲线变 化。注：在6700米高度时，大气密度仅为海平面大气密度的一半。
大气温度
2023/12/14
学习目的
通过学习本章内容，掌握大气的重要参数 和构造，掌握国际标准大气的制定及应用 并能熟练分析气象对飞行活动及飞机机体 的影响。
主要内容
1
大气的重要物理参数
2
大气层的构造
3
国际标准大气
4
气象对飞行活动的影响
第一节 大气的重要物理参数
大气组成
• 氮气、氧气 • 二氧化碳 • 氩、氖、氦、氢等气体 • 水蒸气和尘埃颗粒。
不同流体具有不同的粘度系数，同一流体的粘度系数又随温度而 变化；流体黏度随着温度变化的特性又称为流体的黏温特性
气体的粘度系数随温度的升高而增大 液体的粘度系数随温度的升高而减小
为何二者相反？
气体的粘度系数随温度的升高而增大 液体的粘度系数随温度的升高而减小
空气动力学理论基础
则
q qm m ,,d 0 (1 va1)A v1A1 aC CP P,,d 0
表明：闭式风轮的功率系数的相对增加等于质量流量的 相对增加。
CFD计算结果
1
0.8
0.6
CP
0.4
独立风轮理论值
0.2
独立风轮计算值
闭式风轮计算值
0
0.2 0.4 0.6 0.8 1
CT
闭式风轮的功率系数高于独立风轮的贝茨极限；但取决
（3）贝茨极限为0.593。实际上，由于风速、
风向随机变化等复杂的气动问题，以及叶片表
面粗糙度的摩擦损失等方面的影响，一般认为
功率系数达到40%就比较满意了。
（4） A 1 1 2 a
A2
二 阻力型风力发电机组的最大功率系数
放置在速度为v1的气流中的
物体所受阻力为
v1
FD
CD
1 2
Avr2
相对风速
风轮：多个叶片固定在轮毂上就构成了 风轮。 旋转平面：与风轮轴垂直，由叶片上距
R δr r
风轮轴线坐标原点等距的点旋转切线构
成的一组相互平行的平面。
风轮直径(D)：风轮扫掠圆面对直径。
风轮的轮毂比(Dh/D)：风轮轮毂直径Dh
与风轮直径之比。
U(1-a)
叶素：风轮叶片在风轮任意半径r处的 一个基本单元。它是由r处翼型剖面的
令
dCP da
CDa(23a)0
求解得 a=0 或 a=2/3
a=0舍去，故a=2/3，可得最大功率系数：
4 CP,max27CD0.148CD
第三节 闭式风轮
将风轮放到扩压管中， 其风能利用系数有可能 v1 超过贝茨极限。
v
空气动力学基础
空气动力学基础空气动力学是研究空气对物体的作用力和物体在空气中运动规律的学科。
它在航空航天工程中起着重要的作用。
本文将介绍空气动力学的基本概念、主要原理和应用。
一、空气动力学概述空气动力学是围绕着气体流动学和力学展开的学科，主要研究气体与物体相互作用产生的力以及物体在气体中的运动。
空气动力学基础理论包括气体流动方程、边界条件和流场特性等。
它是航空航天工程设计和性能分析的重要依据。
二、空气动力学原理1. 气体流动方程空气动力学中的主要流动方程是连续性方程、动量方程和能量方程。
连续性方程描述了流体的质量守恒，动量方程描述了流体的动量守恒，能量方程描述了流体的能量守恒。
2. 升力和阻力在运动中的物体受到空气的作用力，其中最重要的是升力和阻力。
升力使得物体能够克服重力向上运动，而阻力则阻碍物体的运动。
这两个力的大小和方向与物体的形状、速度和气体性质等有关。
3. 测试和模拟为了研究物体在空气中的行为，人们通常会进行实验和数值模拟。
实验方法包括风洞试验和模型试飞等，而数值模拟则利用计算机技术对气体流动进行数值计算和模拟。
三、空气动力学应用1. 飞行器设计空气动力学是飞行器设计的重要基础。
通过研究飞行器在不同速度和高度下的空气动力学特性，可以优化飞行器的外形设计，提高其升阻比，提高飞行效率和安全性。
2. 空气动力学仿真使用计算机模拟和仿真技术，可以在设计阶段对飞行器进行空气动力学分析。
这样可以预测飞行器在各种工况下的性能和稳定性，指导设计改进。
3. 空气动力学研究空气动力学研究不仅应用于飞行器设计，还广泛用于其他领域，如汽车、建筑物和体育器材等的设计和优化。
通过研究空气动力学原理，可以改进产品性能，提高安全性和舒适度。
四、结论空气动力学作为研究物体在空气中运动的学科，对于航空航天工程和其他领域的设计和性能分析至关重要。
通过学习空气动力学的基本概念和原理，并运用到实际应用中，可以推动科技的进步，提升产品的质量和性能。
空气动力学原理
空气动力学原理一、引言空气动力学是研究物体在空气中运动时所受到的力和运动规律的学科。
它对于理解飞行器的飞行性能和改进设计具有重要意义。
本文将介绍空气动力学原理的基本概念、主要定律和应用领域。
二、空气动力学基本概念1. 空气动力学：空气动力学是研究物体在空气中受到的力和运动规律的学科。
它是力学的一个分支，主要研究速度较大的流体中物体受力和运动的规律。
2. 流体力学：流体力学是研究流体（包括液体和气体）运动规律的学科。
空气动力学是流体力学中的一个分支，专门研究空气中物体受力和运动的规律。
三、空气动力学定律1. 法向力和阻力：当物体在空气中运动时，空气对其表面施加的力主要分为法向力和阻力。
法向力垂直于物体表面，阻力与物体的运动方向相反，阻碍物体继续前进。
2. 升力和重力：空气动力学中一个重要的概念就是升力和重力。
升力是垂直于运动方向的力，使得物体能够在空气中飞行。
重力是向下的力，使得物体保持在地面上。
3. 薄翼剖面理论：薄翼剖面理论是空气动力学研究中的基本模型，它假设翼面是一条紧密地包绕在地面上的非常薄的曲线。
根据薄翼剖面理论，翼面受到的升力主要与运动速度、攻角以及翼面的形状等因素有关。
四、空气动力学的应用1. 飞行器设计：空气动力学原理对于飞行器设计具有重要意义。
通过研究升力和阻力等参数，可以优化飞行器的外形和机翼设计，提高飞行性能和燃油利用效率。
2. 汽车工程：空气动力学原理也在汽车工程中得到广泛应用。
研究车辆在高速行驶时的空气阻力，可以减少车辆的空气阻力，提高燃油经济性和行驶稳定性。
3. 建筑设计：空气动力学原理在建筑设计中也有实际应用。
通过在建筑物表面设计气动流线型，可以减少气流的阻力，提高建筑物的抗风性能。
4. 能源利用：空气动力学原理还可以应用于风能和水力发电等能源利用领域。
通过优化叶片形状和位置，可以提高风能和水力的转化效率。
五、结论空气动力学原理是研究物体在空气中运动时所受力和运动规律的学科，在飞行器设计、汽车工程、建筑设计和能源利用等领域都有广泛的应用。
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我们宏观上关心的物体（如汽车）的任何一个尺寸 L 相比较都是微乎其
微的
•例如海平面条件下，空气分子的平均自由程为 l ＝10-8 mm，1mm3液体含
3×1021个分子，1mm3气体含 2.6×1016个分子;10-9mm3液体含 3×1012个分 子， 10-9mm3 气体含 2.6×107个分子
剪力，剪切力大小与流体变形速度梯度有关，而且与流体种类有关
流体的粘性
液体和气体产生粘性的物理原因不同，前者主要来自于液体分子间的内 聚力，后者主要来自于气体分子的热运动。因此液体与气体动力粘性系数随 温度变化的趋势相反：
液体： 温度升高，μ变小，反之变大 气体： 温度升高，μ变大，反之变小
液体和气体的动力粘性系数随温度变化的关系可查阅相应表格或近似公 式，如气体动力粘性系数的萨特兰公式等。
由于彻体力按质量分布，故一般用单位质量的彻体力表示，并且往
往写为分量形式：
f
lim
0
F
v
fxi
fy j
fzk,
作用在流体微团上力的分类
表面力：相邻流体或物体作用于所研究流体团块外表面，大小与流体团
块表面积成正比的接触力。
由于按面积分布，故用接触应力表示，并可将其分解为法向应力和切向
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。
基本物理特性
从牛顿粘性公式可以看出：
1. 流体的剪应力与压强 p 无关。
2. 当τ≠ 0 时，du 0 ，无论剪应力多小，只要存在剪应力，流体就会发 dy
• 任取相邻流层考察可知外层的流体受到内层流体摩擦速度有变慢趋势，反过 来内层流体受到外层流体摩擦拖拽其速度有变快趋势。
• 流层间的互相牵扯作用一层层向外传递，离板面一定距离后，牵扯作用逐步 消失，速度分布变为均匀。
基本物理特性
流层间阻碍流体相对错动（变形）趋势的能力称为流体的粘性，相对错动流
层间的一对摩擦力即粘性剪切力。
基本物理特性
密度：
单位体积空气的质量为空气的密度。对于流动的空气，各点的密度可能 不一样，因而建立空气内部任意一点的空气密度很有必要。在连续假设的基 础上我们可以这样定义空气的密度，任意空间点P处，在绕着P点的微小空间， 空间的容积为ΔV，包容的质量为Δm，空气的平均密度为ρ(平均）=Δm/ΔV，令 ΔV→0，则P点的密度为
基本物理特性
• 流体与固体的宏观差别：固体－可保持一定体积和形状
液体－可保持一定体积不能保持形状
气体－既不能保持体积也能不保持形状
• 流体与固体在力学特性上最本质的区别在于：二者承受剪应力和产生剪 切变形能力上的不同。
如图所示，固体能够靠产生一定的剪切角变形量θ 来抵抗剪切应力
θ＝τ/G
θ
F
固体
基本物理特性
dx dz
x
微元六面体的表面力可以用中心点处压强的一阶泰勒展开表示,如图 为 x 方向彻体力，其他方向同理可得。由于流体静止故无剪应力。
流体静平衡微分方程
以前述流体剪切实验为例， 牛顿（1686）发现，流体作用在平板上的摩擦力
正比于速度U 和平板面积 A，反比于高度 h，而μ是与流体介质属性有关的比例常
数：
F=µAU/h
θ2
A
t1 t2
U
θ1
F
h 流体
基本物理特性
设 表示单位面积上的内摩擦力（粘性剪切应力），则
F U
A
h
对于一般的粘性剪切层，速度分布不是直线而是前述的曲线，则粘性 剪切应力可写为
d/dt=du/dy
综上所述：
•
流体的剪切变形是指流体质点之间出现相对运动（例如流体层间的相
对运动）
•
流体的粘性是指流体抵抗剪切变形或质点之间的相对运动的能力
•
流体的粘性力是抵抗流体质点之间相对运动（例如流体层间的相对运动）
的剪应力或摩擦力
•
在静止状态下流体不能承受剪力；但是在运动状态下，流体可以承受
由连续质点组成的质点系称为流体微团。
基本物理特性
一般用努生数即分子平均自由程与物体特征尺寸之比来判断流体是否满足 连续介质假设 ：
l / L 1 对于常规尺寸的物体只有到了外层大气中，l /l L 才可能等于甚至大于 1
一旦满足连续介质假设，就可以把流体的一切物理性质如密度、压强、 温度及宏观运动速度等表为空间和时间的连续可微函数，便于用数学分析工 具来解决问题。
1 6
dxdydzax
px
C z
y
B pn
dy
·P
o
dz
dx
n pz
Ax
py
理想流体内一点的压强及其各向同性
px
1 2
dydz
pnds cos(n,
x)
1 6
dxdydzax
方程左端等于：
px
1 2
dydz
pn
1 2
dydz
方程右端等于： 三阶小量≈0，由此可得：
同理可得：
px pn py pn
0
T
1.5
288.15
288.15 C TC
空气C=110.4K
流体的粘性
在许多空气动力学问题里，粘性力和惯性力同时存在，在式子中μ 和 ρ往往以（μ/ ρ）的组合形式出现，用符号ν 表示
,
Ns m2
,
称为动力粘性系数(读[mju
:])
,
则的热运动，彼此挤压碰撞，分子一次碰撞到下一次碰撞发生称为分子的自 由行程 连续介质模型：
1953年，欧拉提出：将空气分子用一种假想的彼此之间没有任何间隙的 空气微团来代替，这种空气微团被定义为足量的分子组成并连续充满其占据 的空间。这便是连续介质模型
基本物理特性
• 连续介质模型：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，流体包含液体和气体。
θ2
t1 t2
θ1
F
流体
静止流体在剪应力作用下（不论所加剪切应力τ多么小，只要不等于零）将 产生持续不断的变形运动（流动），换句话说，静止流体不能承受剪切应力，将 这种特性称为流体的易流性
基本物理特性
气体受压时其体积发生改变的性质称为气体的压缩性，而抵抗压缩变形的能力 和特性称为弹性。
压缩性系数定义为单位压强差所产生的体积改变量（相对）：
如讨论P点处压强，在周围取如图微元4面体ABCO,作用在各表面的压
强如图所示，理想流体无剪切应力，由于dx、dy、dz 的取法任意，故面
ABC的法线方向n 方向也是任意的。
分别沿 x、y、z 三个方向建立力的平衡关系：
x方向合外力＝质量×加速度（x方向）
px
1 2
dydz
pnds cos(n,
x)
pz pn
因为图中的n方向为任取，故各向同性得证。
流体静平衡微分方程
下面我们研究压强在平衡流体中的分布规律。
在平衡流体（静止或相对静止）中取定一笛卡儿坐标系 oxyz，坐标轴 方位任意。在流体内取定一点P（x ,y ,z）,然后以该点为中心点沿坐标轴三 个方向取三个长度 dx,dy,dz, 划出一微元六面体作为分析对象:
p
dv v dp
,
(
N
1 / m2
)
体积弹性模量定义为产生单位相对体积变化所需的压强增高：
E dp 1 , (N / m2)
dv v p
基本物理特性
当 E 较大时 β p 较小流体不容易被压缩，反之则容易被压缩。液体的 E 较大，通常可视为不可压缩流体，气体的 E 通常较小且与热力过程有关，故
生变形运动。
3.
当
du dy
0
时，τ＝0，即只要流体静止或无变形，就不存在剪应力，
流体不存在摩擦力。
因此牛顿粘性应力公式可看成流体易流性的数学表达。
基本物理特性
速度梯度 du/dy 物理上也表示流体质点剪切变形速度或角变形率 dθ/dt 。如图所示：
u+du
dy
d
u dudt
∴ d =dudt/dy
y
dy
·P
dz
dx
x
z
流体静平衡微分方程
y
假设：
六面体体积：dτ=dxdydz 中心点坐标： x ,y ,z
p p dx x 2
中心点压强：p = p（x,y ,z）
中心点密度： ρ =ρ（x,y,z）
z
中心点处三个方向的单位质量彻体力: fx, fy, fz
·P
dy p p dx
x 2
低速空气动力学 高超声速（Ma≤0.4）
空气动力学基本理论
（2）按用途分为
空气动力学
飞行器空气动力学 工业空气动力学（建筑、船舶、桥梁、通风） 汽车空气动力学
空气动力学基本理论
（3）按研究方法分为
空气动力学
理论空气动力学 实验空气动力学 计算空气动力学（数值计算、仿真）
基本物理特性
空气分子的自由行程： 空气是多种气体的混合体。气体由大量运动的分子组成。分子做着不规
空气动力学基本理论
空气动力学是研究物体和空气发生相对运动的一门学科，广义上来讲， 其实物理学的一个分支，源自于流体力学。空气动力学按三种方式分类：