《空气动力学基础》绪论

飞行器适航工程系吴江浩空气动力学基础教材：1. 钱翼稷编著《空气动力学》
2. 陈再新等编著《空气动力学》
3. 吴子牛编著《空气动力学》
主讲：交通科学与工程学院吴江浩
Email：buaawjh@
飞行器适航工程系吴江浩
学习本课的几点要求
•认真听讲，适当笔记-------空气动力学绝不是一门仅仅依靠自学和期末的几周突击就能学好的课程（提供课件）•积极思考，及时消化-------空气动力学概念多、方法新、公式多和大，但都具有明确的物理意义和实际的工程应用背景，需要紧密结合物理含义、运用数理基础和力学知识，认真消化吸收，完全能够很好掌握
•回答随机提问；注意章末重点；每章必要时做简单测验；
及时进行答疑；认真完成作业；平时成绩为出勤和作业。

•(课代表、答疑、交作业)
课程结构
飞行器适航工程系吴江浩
一、空气动力学基本原理
二、飞机空气动力学原理与应用
三、飞行载荷与适航
绪论
飞行器适航工程系吴江浩
一、几个基本的空气动力学问题
二、空气动力学的研究对象
三、空气动力学的发展进程简介
四、空气动力学的发展新方向
五、空气动力学的分类与研究方法
一、几个基本的空气动力学问题
飞行器适航工程系吴江浩人类虽然生活在流体环境中，但对一些
流体运动现象却缺乏认识，比如：
高尔夫球
1. ：表面光滑还是粗糙？
2. ：来自前部还是后部？
汽车阻力
机翼升力
3. ：来自下部还是上部？
飞行器适航工程系吴江浩后来发现表面有很多划痕的旧球反而飞得更远。

这个谜直到世纪建立流体力学边界层理论后才解开。

20
光滑的球
表面有凹坑的球
飞行器适航工程系吴江浩当时人们认为汽车高速前进时的阻力主要来自车前部对空气的撞击。

飞行器适航工程系吴江浩实际上，汽车阻力主要取决于后部形成的尾流。

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目前在汽车外形设计中，流体力学性能研究已占主导地位，合理的外形使汽车具有更好的动力学性能和更低的耗油率。

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20世纪30年代起，人们开始运用流体力学原理，改进了汽车的尾部形状，出现了甲壳虫型，阻力系数下降至0.6。

飞行器适航工程系吴江浩50～60年代又改进为船型，阻力系数为0.45。

飞行器适航工程系吴江浩80年代经风洞实验系统研究后，进一步改进为
鱼型，阻力系数为0.3。

飞行器适航工程系吴江浩后来又出现楔型，阻力系数为0.2。

飞行器适航工程系吴江浩90年代以后，科研人员研制开发了气动性能更优良的未来型汽车，阻力系数仅为0.137。

经过近80年的研究和改进，汽车阻力系数从0.8降至0.137，减少到原来的1/5。

飞行器适航工程系吴江浩机翼升力人们的直观印象是空气从下面冲击着鸟的翅膀，把鸟托在空中。

飞行器适航工程系吴江浩19世纪初流体力学环量理论彻底改变了人们的传统观念。

B C
F
E
A D
脱体涡量与机翼环量大小相等方向相反
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足球运动的香蕉球现象可以帮助理解环量理论：旋转的球带动空气形成环流，一侧气流加速，另一侧减速，形成压差力，使足球拐弯，称为马格努斯效应。

飞行器适航工程系吴江浩机翼的特殊形状使它不用旋转就能产生环量，上部流速加快形成吸力，下部流速减慢形成压力。

飞行器适航工程系吴江浩测量和计算表明上部吸力的贡献比下部要大。

NACA2412翼型在7.4度攻角时的压强分布
飞行器适航工程系吴江浩人们之所以不能凭直觉来认识流体运动，是因为•空气看不见摸不着
肉眼难以观察•水无色透明
•流动形态变化太快肉眼无法辨认用特殊的技术可以让流动图像显现出来：
飞行器适航工程系吴江浩
高尔夫球和汽车的阻力同尾部漩涡流有关，用圆柱绕流流场显示和数值模拟技术可观察尾流图像。

飞行器适航工程系吴江浩高尔夫球和汽车的阻力同尾部漩涡流有关，用圆柱绕流流场显示和数值模拟可观察尾流图像。

飞行器适航工程系吴江浩机翼升力也与后部的漩涡有关，同样可以用流场显示技术来观察。

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工程和生活中还有许多类似的流体力学基本现象和基本问题
例如：自行车运动员为什么要戴一个圆头尖尾的帽子？能否反过来戴成尖头圆尾，或做成尖头尖尾？
飞行器适航工程系吴江浩再例如：大雁为什么会排成“人”字或“一”字飞行？
飞行器适航工程系吴江浩再例如：为什么空气阻力是汽车速度的最终限制？为什么汽车和飞机作高速运行时，我们在功率（燃料消耗）上必须付出与速度增加不成比例的超乎想象的高代价？
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再例如：为什么超音速喷气飞机尾喷管、导弹发射以及火箭发射的尾喷管处都会出现“大辫子”状的喷流？
往往许多看似简单的现象有可能使人产生似是而非甚至错误的结论，但其中却包含了深刻的流体力学道理，许多现象是我们凭直觉不能正确认识的。

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在应用更广泛的流体力学范畴中，我们还可看到或提出许多类似的与运动和受力相关的问题，例如：微生物在水银中和在酒精中运动时，谁的阻力大？
事实上微生物在水银中游动与在酒精中游动时受到的阻力几乎相等不受二者密度的巨大差别影响，为什么？
飞行器适航工程系吴江浩再例如：为什么海洋中体形大的生物（鲸）姿态幽雅、动作轻松、迁徙距离遥远？
而体形越小的生物则游动越笨拙、速度和运动都局限在一个很小范围？
流体力学和空气动力学是研究和解决有关问题的基本工具。

飞行器适航工程系吴江浩再例如：建筑物的设计也与空气动力有关。

二、空气动力学的研究对象
飞行器适航工程系吴江浩•
空气动力学是流体力学的一个分支，它是从
流体力学发展而来。

•空气动力学是物理学的一个分支。

•
空气动力学是研究物体和空气作相对运动时，空气的运动规律以及空气与物体之间作用力规律的学科。

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相对性原理
•当飞行器以某一速度在静止空气中运动时，飞行器与空气的相对运动规律和相互作用力，与飞行器固定不动而让空气以同样大小和相反方向的速度流过飞行器的情况是等效的。

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相对性原理给空气动力学的研究提供了方便•可以将飞行器模型固定不动，人工制造直匀气流（风洞）流过物体，以便观察流动现象，测量模型受到的力，进行试验空气动力学研究。

风洞测力实验风洞流动显示
飞行器适航工程系吴江浩三、空气动力学的发展进程简介
空气动力学是由流体力学发展而来的
•古希腊伟大的数学家、力学家，
公元前300年发现浮力定律。

•后人对阿基米德给以极高的评价
，常把他和牛顿、高斯并列为有
史以来三个贡献最大的数学家。

阿基米德（Archimedes,
•阿基米德发现浮力定律之后的一
千多年，流体力学几乎没有任何287-212 B.C.希腊）重大进展。

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18世纪，随着牛顿运动定理和微积分方法的建立，流体力学和空气动力学才逐步迈入理性研究和持续发展阶段。

牛顿（Isaac Newton,1642-1727 英国）
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一批著名数学家建立了描述无粘性流体运动的理论流体力学。

欧拉（L.Euler,1707-1783,瑞士）伯努利（D.Bernouli 1700－1782，瑞士）
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一批著名数学家建立了描述无粘性流体运动的理论流体力学。

达朗贝尔
拉格朗日（J-拉普拉斯（P-（J.d’Alembert ，1717－1783，法国）
.Lagrange ，1736－1813，意大利)
place ，1749－1827，法国）
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19世纪末，理论与实验流体力学开始结合，此期间的重大进展还有：
雷诺（O.Reynolds ，1842－1912，爱尔兰）瑞利（J.Rayleigh ，1842－1919，英国）发现了两种流动状态。

建议采用量纲分析法。

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19世纪是流体动力学的基础理论全面发展的阶段，法国工程师纳维（L.Navier）和爱尔兰数学家斯托克斯（G.Stokes）建立了粘性流体运动方程。

（1785－1836，L.Navier（1819－1903，G.Stokes
法国）英国）
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现代意义上的流体力学形成于20世纪初，以德国科学家普朗L.Prandtl18751953
特（，－）创立的边界层理论为标志。

普朗特（L.Prandtl，
平板边界层
1875－1953，德国）
普朗特开创了边界层理论和有限翼展升力线理论，被称为近代流体力学和空气动力学的奠基人。

飞行器适航工程系吴江浩同一时代的重量级人物还包括卡门、泰勒等众多科学家
卡门（V.Karman，泰勒（G.Taylor，
1881－1963，美国）1886－1975，英国）
飞行器适航工程系吴江浩1906年俄国数学家和空气动力学家儒可夫斯基引入了环量的概念，发表了著名的升力定理，奠定了二维机翼理论的基础。

儒可夫斯基（Joukowski，1847－1921）
飞行器适航工程系吴江浩以周培源、钱学森为代表的中国科学家在湍流理论、空气动力学等许多领域中作出了基础性、开创性的贡献。

周培源（－1993）钱学森（1911－）
1902
飞行器适航工程系吴江浩•20世纪创建了空气动力学完整的科学体系，并得到了蓬勃的发展，同时极大的推动了代表最高人类科技水平的航空航天事业发展
•年12月27日，莱特兄弟驾驶他们设计制造“飞行者一1903
号”首次试飞成功，这是人类历史上第一架有动力、载人、持续、稳定、可操纵的飞行器。

从此开创了飞行的新纪元。

其后，飞机的发展反过来又推动了空气动力学的迅速发展
Wilbur Wright Oville Wright
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•莱特兄弟设计制造“飞行
者一号”(1903年)
•Raymond Saulnier设计全金
属机身Blériot Ⅺ(1908年)
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•德国空军(1910年)
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•第一次世界大战英军S.E.5A (1917年),生产超过5000架
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•朗利研究中心风洞试验(9*18m，1932年)
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流体力学与空气动力学是众多应用科学和工程技术的基础。

由于空气动力学的发展，人类研制出3倍声速的战斗机、
超音速的民航客机和载客达550人以上的超大型民航客机。

F-15幻影2000
协和A380。