第 4 章 空气动力学基础
空气动力学基础 安德森 双语
空气动力学基础安德森双语引言空气动力学是研究空气对物体运动的影响的学科，它在航空航天工程、汽车工程、建筑设计等领域都有广泛的应用。
本文将以安德森的《空气动力学基础》为基础，通过双语方式探讨空气动力学的基本概念、原理和应用。
空气动力学概述什么是空气动力学•空气动力学是研究空气对物体运动的影响的学科。
•它主要研究空气动力学力学、空气动力学热力学和空气动力学光学等方面的问题。
空气动力学的应用领域•航空航天工程：研究飞机和火箭等飞行器的设计和性能。
•汽车工程：研究汽车的空气动力学性能，提高汽车的操控性和燃油经济性。
•建筑设计：研究建筑物的空气流动，改善室内空气质量和降低能耗。
空气动力学基本原理流体力学基础1.流体的定义：流体是指能够流动的物质，包括液体和气体。
2.流体的运动描述：流体的运动可以通过速度场和压力场来描述。
3.流体的运动方程：流体的运动可以由连续性方程、动量方程和能量方程描述。
空气动力学力学1.空气动力学力学的基本原理：空气动力学力学研究空气对物体的力学作用。
2.升力和阻力：升力是垂直于飞行器运动方向的力，阻力是与飞行器运动方向相反的力。
3.升力和阻力的计算：升力和阻力可以通过气动力系数和流体动力学原理进行计算。
空气动力学热力学1.空气动力学热力学的基本原理：空气动力学热力学研究空气对物体的热力学作用。
2.空气的物理性质：空气的物理性质包括密度、压力和温度等。
3.空气的热力学过程：空气的热力学过程可以通过气体状态方程和热力学原理进行描述。
空气动力学光学1.空气动力学光学的基本原理：空气动力学光学研究空气对光的传播和折射的影响。
2.折射现象：当光线从一个介质传播到另一个介质时，会发生折射现象。
3.折射定律：折射定律描述了光线在折射过程中的角度关系。
空气动力学的应用航空航天工程中的应用1.飞行器设计：空气动力学原理用于飞行器的气动外形设计和性能评估。
2.飞行力学：空气动力学原理用于飞行器的姿态控制和飞行性能分析。
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。
直升机空气动力学-第4章
0 改变拉力大小 前后左右飞—操纵桨叶周期变距 1和 2 ，
改变旋翼锥体（拉力）倾斜方向和角度 航向---操纵尾桨总距，改变尾桨拉力值 旋翼动力学国防科技重点实验室
直升机空气动力学基础
—第四章前飞时旋翼桨叶的工作原理
旋翼动力学国防科技重点实验室
令： a0 a10 cos b10 sin
也代表旋锥体倾斜量：
a10 角。a10 称为旋翼后倒角。 旋翼锥体向后倾倒了
同理，桨叶在方位 900处
下垂了b10 ，在 2700 处上台 了b10 ，b10 称为侧倾角。
0 各桨叶在方位 180处都抬高 a10 度，在 00处都下垂a10 度，表明
Vr d国防科技重点实验室
直升机空气动力学基础
—第四章前飞时旋翼桨叶的工作原理
Fgs Gye g 2rG
2
d sin dt
a12 b12 2 rG (a0a1 sin a0b1 cos sin 2 a1b1 cos2 ) g 2 G ye
1s 10 1
b1s b10 2
旋翼动力学国防科技重点实验室
直升机空气动力学基础
—第四章前飞时旋翼桨叶的工作原理
第五节 偏置铰旋翼和无铰旋翼 5-1 偏置铰旋翼 为便于结构布置及增大桨毂力矩，挥舞铰不在旋转中心， 而是有 l 偏置量 。计算挥舞力矩时对挥舞铰（不是对旋转中 心）取矩，挥舞方程变为
4，为使旋翼向所需的方向倾斜所需的角度，令旋翼做变距
运动。变距与挥舞等效。 5，挥舞铰偏置，旋翼可产生桨毂力矩。挥舞对于吹风及操
纵的响应不再恰是共振。
旋翼动力学国防科技重点实验室
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。
FundamentalsofAerodynamics第六版课程设计 (2)
Fundamentals of Aerodynamics第六版课程设计介绍本文是基于Anderson的《Fundamentals of Aerodynamics第六版》所设计的课程，旨在提供一个深入学习流体力学和空气动力学的机会，同时帮助学生掌握相关领域的基本知识和技能。
课程大纲第一章：流体力学基础本章介绍流体力学的基本知识，包括流体力学的定义、基本假设、运动学和动力学公式以及基本方程。
本章还将讨论质量、动量、能量守恒定律以及连续性方程等基本概念和原理。
第二章：建立流场方程本章将介绍针对不同情况的流场方程的建立，包括欧拉方程、NSE（Navier-Stokes Equation）等。
第三章：飞行力学基础本章将介绍飞行力学的基本知识，包括飞行器的运动学和动力学方程、空气动力学基本原理以及气动力和控制力等。
第四章：气动力学基础本章将讨论气动力学的基本理论和原理，包括气动力学的定义、不同形状的流体对气动力的影响以及绕流等。
第五章：气动力学数值计算方法本章将介绍用于计算气动力学的数值方法，包括CFD（Computational Fluid Dynamics）等。
第六章：气动力学的应用本章将介绍气动力学的具体应用，包括飞行器设计、气动优化和空气动力学性能评估等。
课程目标课程的主要目标是：•帮助学生掌握流体力学和空气动力学的基本知识和技能；•培养学生的气动力学分析和设计能力；•提供学生探索流体力学和空气动力学不同应用领域的机会；•帮助学生了解气动力学在工程领域的现状和未来发展趋势。
课程要求课程要求学生：•熟练掌握本课程的基础知识和技能；•参加课程中的讨论和实践活动；•独立完成相关课程作业和项目；•提高自己独立思考和解决问题的能力。
课程评估该课程的评估方式包括以下因素：•期末考试占成绩的40％；•课程项目占成绩的30％；•课堂参与占成绩的20％；•平时作业占成绩的10％。
结论本课程旨在提供一个深入学习流体力学和空气动力学的机会，帮助学生掌握相关领域的基本知识和技能，并探索气动力学在工程领域的具体应用。
空气动力学基础
我把Introductiontoflight的第四章Basicaerodynamics略读了一遍，提炼了其中的重点要点，将其总结在一起分享给同学们，希望对大家空气动力学的学习有所帮助。
这个文档内容涉及的气流都是无黏的（书134—228页），没有包含黏性研究的部分。
因为领域导论书对黏性没怎么研究，基本都是只给结论，所以就不1、注意公式的限定条件，避免错误地加以应用。
2、大物书上的理想气体方程是Pv=RT，其中的R是普适气体常量（universalgasconstant），领域导论书上的P=ρRT是经过变换的等价形式，其中的R是个别气体常量(specificgasconstant)，等于普适气体常量R普适/M，大家变一下马上就懂了。
2、谈谈我的一个理解：本书中的研究好像不太强调质量和体积，可能是因为空气动力学研究没必要也不方便强调。
在一、基本方程——7、能量方程的推导中，v=1/ρ，这里的1应理1，不，同Pv=R1，并利用普适气体常量和个别气体常量的关系，即可3和和c p，（（（molarheatcapacityatconstantpressure）。
对比起来有（下式中R个指个别气体常量，R普指普适气体常量，i指分子自由度，γ指热容比）：比热摩尔热容c v=R个，c p=R个c v=R普，c p=R普c p-c v=R个c p-c v=R普γ==γ==4、小写v代表体积，大写V代表速度，注意区分，其他字母1、则即2、忽略重力和黏性，朝向x正方向的力为Pdydz压强的变化率为则朝向x负方向的力为(P+dx)dydz则合力F=Pdydz-(P+dx)dydz=-(dxdydz) 又a===V 由3、++即P+ρ在一条流线上是常量，其中用表示，对于不可压缩流，等于总压，我们在方程的应用中会再提及。
4、关于热力学第一定律系统的内能增量=外界传热+外界做功，即de=δq+δw其中δw=-Pdv(压缩，所以v减小，dv是负值，所以有负号) 则δq=de+Pdv定义焓h=e+Pv5、，即系统增加单位温度所吸收的热量等体过程的比热写作可得de=δq=c v dT从e=0和T=0积分得e=c v T我们在大物中学的是e=R普T，m还是要当做单位质量1，推出e=R个T=c v T。
风力机空气动力学-第四章解析
华北电力大学
《风力机空气动力学》
17
§4-2：基础理论
与前面比较，本节考虑风轮尾流的旋转。 气流在风轮上产生转矩时，也受到风轮的反作用力，由此气流产生了 一个反向的角速度，使尾流以相反的方向转动。
新能源、可再生能源 ➢ 我国丰富的风资源与
政府的大力支持 ➢ 风能是有很强综合性的
技术学科
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《风力机空气动力学》
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§4-1：概述
研究内容
➢ 风力机空气动力模型； ➢ 风力机翼型空气动力特性； ➢ 风力机叶片空气动力设计； ➢ 风力机风轮性能计算； ➢ 风力机空气动力载荷计算； ➢ 风力机气动弹性稳定性和动力响应； ➢ 风力机空气动力噪声和风力机在风电场中的布置等。
图３-１ 风轮流动的单元流管模型
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《风力机空气动力学》
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§3-2：基础理论
假设来自远前方的流管，在叶轮激盘处恰与激盘外径相切，并伸 向下游，如此建立控制体。
应用一维动量方程得
激盘前后区域应用伯努利方程
T m V1 V2
m 单位时间流经风轮的空气
风轮处的质量流量：VA ，那么
T AV V1 V2
V
2 3
V1
V2
1 3
V1
V2/V1
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风轮附近速度和压力的变化规 律
➢ 风力平面处的风速总比来流小 （风轮吸收了功率）
➢ 本模型假设尾迹不旋转，意味着 在转动尾迹的动能中没有能量损 失。
✓ 实际上肯定是有损失的。
➢ 即使对最佳设计的风轮也不可能 系数60％的风动能。
V12
V22
1 AV
2
空气动力学第四章粘性流体动力学基础
v(x, y, z,t) (zx xz) xyx yyy zyz
w(x x, y y, z z,t) w(x, y, z,t) w x w y w z x y z
4.2、流体微团的运动形式与速度分解定理
以x方向速度分量为例，由泰勒级数展开，有
u(x x, y y, z z,t) u(x, y, z,t) u x u y u z
x y z 将上式分别加、减下列两项
1 v y , 1 w z
得到
2 x
2 x
u(x x, y y, z z,t)
1 0 0
0
2
0
0 0 3
I1 1 2 3 I2 1 2 23 13 I3 1 23
4.3、粘性流体的应力状态
1、理想流体和粘性流体作用面受力差别 流体处于静止状态，只能承受压力，几乎不能承受拉力和剪力，不具有 抵抗剪切变形的能力。理想流体在运动状态下，流体质点之间可以存在 相对运动，但不具有抵抗剪切变形的能力。因此，作用于流体内部任意 面上的力只有正向力，无切向力。 粘性流体在运动状态下，流体质点之间可以存在相对运动，流体具有 抵抗剪切变形的能力。因此，作用于流体内部任意面上力既有正向力， 也有切向力。
D ( ps cos )ds 0 2R
4.1、流体的粘性及其对流动的影响
对于粘性流体的绕流，与理想流体绕流存在很大的差别。由于流体 与固壁表面的粘附作用，在物面近区将产生边界层，受流体粘性的 阻滞作用，流体质点在由A点到B点的流程中，将消耗部分动能用之 克服摩擦阻力做功，以至使其无法满足由B点到D点压力升高的要求 ，导致流体质点在BD流程内，流经一段距离就会将全部动能消耗殆 尽（一部分转化为压能，一部分克服摩擦阻力做功），于是在壁面 某点速度变为零（S点），以后流来的流体质点将从这里离开物面进 入主流场中，这一点称为分离点。这种现象称为边界层分离。在分 离点之间的空腔内流体质点发生倒流，由下游高压区流向低压区， 从而在圆柱后面形成了旋涡区。这个旋涡涡区的出现，使得圆柱壁 面压强分布发生了变化，前后不对称（如前驻点的压强要明显大于 后驻点的压强），因此出现了阻力D。
空气动力学基础(刘沛清,2017,12)
当气流迎着翅膀（翼型）吹过时，会因为上下翼面产生 的气流速度差而产生压力差，通常是上翼面的空气流速快、 压力小，下翼面的气流速度慢、压力大，从而将翅膀向上托 起，产生升力。
1738年瑞士科学家伯努利给出理想流体能量方程式，建立了空气压强与速度 之间的定量关系，为正确认识升力提供了理论基础，特别是由该能量定理得 出，翼型上的升力大小不仅与下翼面作用的空气顶托力有关，也与上翼面的 吸力有关，后来的风洞试验证实：这个上翼面吸力约占翼型总升力的60%～ 70%。
(3）李林达尔，O.（18481896）
德国工程师和滑翔飞行家李 林达尔，是一位制造与实践固定 翼滑翔机航空先驱之一。李林达 尔制造了多架单翼或双翼滑翔机， 并在柏林附近试飞2000多次， 积累了丰富资料，虽然其最终未 能实现动力飞行，但他所积累的 大量飞行经验和数据，为日后美 国莱特兄弟实现动力飞行提供了 许多宝贵教益。 1889年,著《鸟类飞行──航空 基础》。
莱特兄弟 奥维尔（1871—1948） 维尔伯（1867—1912）
世人一般认为他们于 1903年12月17日首次完成 完全受控制、附机载外部 动力、机体比空气浮力大、 可持续飞行，并因此将发 明了世界上第一架实用飞 机的成就归功给他们。
1903年12月17日，世界 上第一架有动力、可操纵的 飞机由美国莱特兄弟驾驶试 飞成功。飞行者1号的起飞重 量仅仅360kg，勉强能载一个 人飞离地面，速度比汽车还 慢，只有48km/h，最成功一 次飞行只有59秒，距离260m。 但是就这么一架不起眼的小 飞机翻开了人类航空史上的 重要一页，从此人类实现了 带动力飞行的固定翼飞机， 让人类进入航空文明时代。
（1） 达·芬奇
15世纪70年代，达芬奇画出的一种由飞行员 自己提供动力的飞行器，并称这种飞行器为 “扑翼飞机”。
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。
空气动力学基础原理与应用
空气动力学基础原理与应用空气动力学是研究空气流动对物体运动和空间结构影响的学科，它是现代工程学和航空航天工程的重要组成部分。
在工程和技术应用中，空气动力学被用于设计和优化飞行器、汽车、摩托车、建筑物、桥梁等结构。
本文将介绍空气动力学的基础原理和应用。
一、气体动力学基础气体动力学是空气动力学的基础，研究气体的流动和力学特性。
气体的动力学性质包括压力、密度、速度和温度等参数，这些参数随着空气流动而发生变化。
气体的流动可以分为层流和湍流两种状态。
在层流状态下，气体流动沿着一条直线或曲线运动，并具有稳定和预测性。
在湍流状态下，气体流动呈现为混沌状态，具有不可预测性和不规则性。
二、空气动力学的基本原理空气动力学的基本原理包括如下几个方面：1、伯努利定理伯努利定理是空气动力学的核心原理之一，它描述了气体在不同速度下的压力变化规律。
伯努利定理认为，在气体流动过程中，流速越大，压力越低，反之亦然。
在翼型表面上，气流在表面上方流动的速度比表面下方流动的速度快，因此表面上方的压力低于表面下方的压力。
这种压力差产生的升力是翼型飞行的基础。
2、牛顿定律牛顿定律是描述力学系统的基本原理之一。
在空气动力学中，牛顿定律用于分析物体在气流中运动的动力学行为。
牛顿第一定律认为，除非受到外力的作用，物体将保持匀速直线运动或静止状态。
牛顿第二定律则描述了物体在受到外力作用下的加速度。
在空气动力学中，牛顿定律用于分析物体在气流中所受的阻力和升力。
3、概率论及分布函数在空气动力学中，概率论和分布函数应用十分广泛。
概率论和统计学方法被用于研究气体流动的随机过程和不确定性。
分布函数则用于描述气体动力学参数的变化情况，如速度、压力、密度等参数的空间和时间分布情况。
三、空气动力学的应用空气动力学的应用范围十分广泛，包括下列几个方面：1、航空航天工业航空航天工业是空气动力学的主要应用领域之一。
在飞行器设计和优化中，空气动力学可以帮助设计师选择和优化翼型和飞行速度等参数，以达到最佳的升阻比和燃料效率。
空气动力学的基础知识
空气动力学的基础知识空气动力学是研究流体力学中与气体运动有关的力和运动的学科。
空气动力学的研究对象是运动的气体，其中包括飞行器、汽车、建筑物、船舶、火箭等物体在气体中的运动、流动和受力等问题。
本文将从空气动力学的基础知识入手，为读者介绍空气动力学的相关内容。
流场和速度场空气动力学研究的第一个问题是流体的流动。
流体的流动可以用流场和速度场来描述。
流场是指各点流体运动状态（流速、流速方向、密度、温度等）的分布情况。
速度场是指各点流体的流动速度。
流体的运动状态决定了它受力的状态，因此分析流场和速度场是空气动力学研究的第一步。
流场和速度场的计算方法以及它们之间的关系是空气动力学中的基础问题。
流体的连续性方程和动量守恒方程空气动力学中研究流体的运动过程需要遵循连续性方程和动量守恒定律。
连续性方程是描述流体运动过程的基本方程之一，它表述了流体在单位时间内通过任何一定横截面积内的物质流量相等。
动量守恒方程则描述了流体受力过程中的运动状态，这个方程能够反映物体在流体中穿过一个受力区域时所受的阻力、压力、力矩等信息。
空气动力学中的雷诺数在空气动力学中，雷诺数是一个非常重要的概念。
它是空气动力学中的无量纲参数，决定了流体的稳定性和不稳定性，可以用于描述边界层和湍流状态。
简而言之，当雷诺数越大时，流体会越容易变得湍流，这会对空气动力学的研究和设计带来许多影响。
翼型和飞行器翼型是空气动力学中的一个重要概念，它是描述飞行器机翼截面形状的函数。
翼形的设计对飞行器的性能有着至关重要的影响。
它能够影响到飞机的升力、阻力、抗扭稳定性、滚转和俯仰稳定性等方面。
因此，研究翼型的设计和性能是空气动力学研究的重要方向。
结语空气动力学是一门重要的学科，涉及众多的物理和数学知识。
通过本文的介绍，我们可以了解到空气动力学中的一些基础知识，例如流场和速度场、连续性方程和动量守恒方程、雷诺数、翼型和飞行器等。
对于空气动力学的学习者来说，深入了解这些基础知识对于学习和掌握这门学科是非常有帮助的。
空气动力学基础知识
1第一章空气动力学基础知识(总14页)-CAL-FENGHAI.-(YICAI)-Company One1-CAL-本页仅作为文档封面，使用请直接删除第四单元飞机与飞机系统第一章空气动力学基础知识大气层和标准大气地球大气层地球表面被一层厚厚的大气层包围着。
飞机在大气层内运动时要和周围的介质——空气——发生关系，为了弄清楚飞行时介质对飞机的作用，首先必须了解大气层的组成和空气的一些物理性质。
根据大气的某些物理性质，可以把大气层分为五层：即对流层(变温层)、平流层(同温层)、中间层、电离层(热层)和散逸层。
对流层的平均高度在地球中纬度地区约11公里，在赤道约17公里，在两极约8公里。
对流层内的空气温度、密度和气压随着高度的增加而下降，并且由于地球对大气的引力作用，在对流层内几乎包含了全部大气质量的四分之三，因此该层的大气密度最大、大气压力也最高。
大气中含有大量的水蒸气及其它微粒，所以云、雨、雪、雹及暴风等气象变化也仅仅产生在对流层中。
另外，由于地形和地面温度的影响，对流层内不仅有空气的水平流动，还有垂直流动，形成水平方向和垂直方向的突风。
对流层内空气的组成成分保持不变。
从对流层顶部到离地面约30公里之间称为平流层。
在平流层中，空气只有水平方向的流动，没有雷雨等现象，故得名为平流层。
同时该层的空气温度几乎不变，在同一纬度处可以近似看作常数，常年平均值为摄氏零下度，所以又称为同温层。
同温层内集中了全部大气质量的四分之一不到一些，所以大气的绝大部分都集中在对流层和平流层这两层大气内，而且目前大部分的飞机也只在这两层内活动。
中间层从离地面30公里到80至100公里为止。
中间层内含有大量的臭氧，大气质量只占全部大气总量的三千分之一。
在这一层中，温度先随高度增加而上升，后来又下降。
中间层以上到离地面500公里左右就是电离层。
这一层内含有大量的离子(主要是带负电的离子)，它能发射无线电波。
在这一层内空气温度从-90℃升高到1 000℃，所以又称为热层。
空气动力学基础第4章
取T＝0时h=0,则有
h c pT (cV R)T
h可视为在等压条件下气体温度从零升到T所需加的热量
引入比热比
cp
cV
h p 1
22:05
11
第四章 高速可压缩流基础知识
§4-1热力学基础知识
热力学第一定律
热力学过程--绝热过程
dq 0
p RT
cV dT
等熵流
p2
2
p1
1
1
p2 p1
2 1
T2 T1
22:05
16
第四章 高速可压缩流基础知识
§4-1热力学基础知识 §4-2声速与马赫数 §4-3高速一维定常流 §4-4马赫波与膨胀波 §4-5激波
22:05
17
第四章 高速可压缩流基础知识
dq de cV dT
定容比热容
cV
dq dT
V C
单位质量气体在等容过程中温度每升高1度所
需要的热量，cV 717 .6J /(kg K )
T
取T＝0时，e=0，则 e 0 cV dT cVT
e2 e1 cV (T2 T1)
e可视为在等容条件下气体温度从零升到T所需的热量
热力学第二定律
ds
dq T
d
cV
ln T
R
ln
1
从初始状态1变为状态2的值
s s2 s1
2
1 ds cV
ln T2 T1
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。
04_空气动力学基础
马 天 飞
汽 车 系 统 动 力 学
第二节
法向力与切向力
空气的特性
空气作用力的基本形式
空气微团的剪切力很小，通常表现为法向压力。
马 天 飞
3
汽 车 系 统 动 力 学
边界层与分离气流
当流体绕物体流动时，在物体壁面附近受流体粘性影响 显著的薄层称为边界层。 在边界层中，由于存在较大的速度梯度，因此剪切力较 大。 边界层上会产生分离气流，切向力使气流急速旋转，阻 力提高，升力损失。
给定点的实际压力
p = p∞ +Cpq∞
压力系数的取值范围 在气流平面的中心，气流速度减小为0，压力系数取最 大值1。 车辆行驶速度为160km/h，给定点气流流速为320km/h， 则压力系数为-3。
马 天 飞
14
汽 车 系 统 动 力 学
第五节
一、边界层分离
实际气流特性概述
实际空气并非理想气流，车身并非光滑。 在边界层，粘滞作用产生的剪切力使空气的流速和能量降 低。 边界层沿着物体逐渐变厚，气流由层流变为湍流。 边界层的气流流速减慢，压力升高，在表面形成逆流，排 挤主流使之脱离壁面，称为边界层分离。
1、定义
假设车身某点压力p、速度v，来流压力p∞、速度v∞，定义 压力系数 2
v p-p∞ Cp = = 1 − v q∞ ∞
车身上某点的速度v与来流速度v∞之间的关系依赖于 车身形状 车速相对于流体的方向 该点所在的车身位置
马 天 飞
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汽 车 系 统 动 力 学
2、压力系数的取值
6、空气阻力系数的发展
为了降低能耗，各公司都设法降低汽车的空气阻力系数。
马 天 飞
40
汽 车 系 统 动 力 学
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汽车系统动力学
一、风洞试验
风洞试验首先要做出车辆模型，然后安装在风洞
的人工流场中，用仪器测量作用在模型上的力和 力矩，以及用喷烟或气流染色或贴丝线等办法来 观察模型附近流线的变化。
风洞一般由动力段、收缩段、试验段以及扩散段
组成。(图4-13/14分别为两种常见的风洞形式)
汽车系统动力学
1、直流式风洞（埃菲尔式风洞）
第四章 空气动力学基础
汽车系统动力学
第一节 概述
当汽车在空气中运动时，会受到空气的作用
力，空气动力随车速的增加而迅速增加，从 而对汽车高速行驶时的动力学性能有着显著 的影响。 研究的主要内容：对车外流和对车内流 研究的目的：减少风阻、提高侧风稳定性、 提高发动机进气管道的效率等等。
汽车系统动力学
2、空气密度随压强的变化
在温度不变的情况下，由于空气压力直接与大气压力
成正比关系，因而天气状况或海拔的改变将引起大气 压力的改变。海拔越高，空气越稀薄，空气密度越低
汽车系统动力学
二、空气粘度
粘度用来表述流体的粘性，流体粘性力由
气体的粘性和内部速度梯度共同决定。粘 性力在流体间相互传递，通过依附于固体 表面很薄的边界层作用于物体表面。
汽车系统动力学
由于沿着平板流动的空气会产生边界层，边
界层的厚度随着离前缘距离的增大而增大， 如图4-16所示：
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二、雷诺数
满足模型和实际汽车流体特性相似（即具
有相似的摩擦力和惯性力关系）的基本条 件是，二者应具有相同的雷诺数。 雷诺数常用Re来表示，定义如下
Re vL
在车辆设计的初期，空气动力学试验通常在规模较小、
成本较低的风洞中进行模拟测试。但以下两个问题值得 注意： 1、现代汽车的车底净空间很低，因而车身底部和其相邻 四周的气流称为影响升力与俯仰力矩大小的关键因素。 2、关于“流体相似性”或风洞试验中与全尺寸车辆模 型有关的流体特性的模拟问题。
汽车系统动力学
由图4-11所示的风洞试验可知，只有在图总
所示的扩散角α＜100的情况下才会膨胀并贴 紧边界面。
汽车系统动力学
如果α角过大，那么气流就会从风洞壁上脱离并伴有随
机湍流生成。车辆车身较短，且为非流线型，因而上述 现象常出现在车辆后部。图4-12a所示的烟雾说明了这 类的分离情况。
汽车系统动力学
由于空气连续沿物体表面流动，湍流边界层会因边
界层能量在表面摩擦力作用下变小而进一步增厚。 边界层厚度可采用下列公式近似计算：
k5
4 v 5 x v
式中，k为比例系数，与物体形状和表面特性有关；v 为运动粘度；v∞为来流速度；x为沿物体长度方向 上的距离。
汽车系统动力学
汽车系统动力学
3、压力能。由于流束位于边界表面具有一 定静压力的流体内，且静压力在各向均匀作 用，因而流体内部必须有相等的压力来保持 平衡，如图4-3所示。
流体微元的压力能等于它克服外界压力保持自 身体积所需的功，即外部压强P乘以自身体积V0
汽车系统动力学
综上所述，所讨论的流体微团总能量为压力能 与动能之和，即：
汽车系统动力学
当气流与物体相对运动时，环绕物体的气流
总会被分成两个或更多的方向流动，如图4-4 所示的分流点O为驻点，其压力等于静压与动 压之和，称为驻点压力。
汽车系统动力学
第四节 压力分布和压力系数
一、压力分布
由伯努利方程可知，如动压增加，则流体的静压必定 减小，反之亦然。翼剖面就是一种利用压力变化来产 生动力的装臵，如图4-5所示。
汽车系统动力学
第二节 空气的特性
空气是由多种气体混合而成的，由于气体分子的
运动，各气体微团间存在着相互作用力。根据产 生方式的不同，作用力可分为两种：
法向应力：两微团相互碰撞时交界面上没有相对滑动发生
切向应力：微团间相互滑动，存在分子间的动量交换
汽车系统动力学
两种不同形式的相互作用力如下图所示
1 ( pV0 ) ( V0 v 2 ) 2
汽车系统动力学
为便于处理，通常以单位体积计算其总能量，等 于： 1 2
p
2
v
上式第一项为静压，通常以气流压强表示静压， 第二项定义为动压q。
汽车系统动力学
伯努利方程表达了在理想流场中沿流束
的能量守恒定律，即流体静压和动压之 和为常数：
p q H 常量
设流束是一个由理想不可压缩的流体组成的 独立系统（即无流体通过边界），因此系统 总能量沿轴向保持恒定，只是存在的形式可 以不同，能量的形式可以是以下三种：
汽车系统动力学
1、势能。与流体高度变化有关，与流体密度 和高度成正比，对车辆空气动力学研究来说， 可以忽略不计。
2、动能。其表达式如下：
1W 2 1 2 1 EK v mv V0v 2 2 g 2 2
空气动力学的主要研究内容可概括为： 通过车身外部造型、流体控制和内部流通管道 的设计来减小车辆的空气阻力。 在空气阻力一定的情况下，尽可能增加向下的 气动压力以提高轮胎附着性，但同时减小对轮 胎侧偏力的影响。 比例模型或全尺寸车辆空气动力学试验，以及 对试验结果的分析。 研究空气动力与底盘设计及汽车使用情况之间 的相互关系及影响。
汽车系统动力学
第六节 空气动力学试验
在研究车身这类非流线体特性时，空气动力
学试验已成为一种标准方法。风洞测试中， 可采用整车模型或比例模型进行试验，也可 进行道路实车试验。通过模型试验确定设计 车辆的空气动力特性，对某些设计环节或部 件进行改进，完善设计。 本节首先讨论风洞试验和雷诺数，然后介绍 各种用于实车试验的测试技术，最后对空气 阻力和力矩系数进行介绍。
现根据相对运动原理来研究空气动力 学问题。在下面的推导中，假设空气 流动。
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图4-2所示的一根空气管道可看作是由若干流 线（表示定常连续流体的流向，流线越密的区 域标识流速越大）构成的流管。
汽车系统动力学
由于管道表面无气流穿过，其表面就相当于 固体边界。流管中微小流束的速度可由伯努 利方程来描述。
流体越粘，流体传至物体的力也越大。
汽车系统动力学
粘度分为：动力粘度 和运动粘度
动力粘度会随温度缓慢变化，通常随温度的增加
而增加。定义温度为15℃时的空气动力粘度为标 准值，大小等于1.822×10-5Pa· s 运动粘度定义为动力粘度与密度的比值 即： / 单位为m2/s 在标准状态下，空气的运动粘度为 1.428×10-4m2/s
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第三节 伯努利方程
当理想不可压缩流体作定常运动时，可采用 伯努利方程来描述其力学特性。 伯努利方程以理想流体和能量守恒为基础而 建立，它忽略了空气重力的影响，用于描述 流体速度和压强之间的关系。
汽车系统动力学
物体边界层以外的流体简化为非粘性流体，所
以空气各微团间主要以法向压力相互作用。对 以亚声速行驶的车辆来说，空气密度变化通常 不大（散热等内流场情况除外），因此在车辆 空气动力学研究中，通常可以忽略车身周围气 体密度的变化。
v L
是动力粘度， / L是随流体层距离改变的速度变化率 式中，
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根据单位面积的摩擦力，可计算出实际面积的摩擦
力为
v 2 L vL L
所以，惯性力与摩擦力的比值正比于雷诺数
即：
v 2 L2 vL vL Re vL
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二、压力系数 C
p
设车身某点的局部压力位p及速度为v，远处气流 的压力及速度分别为p∞、v∞,由伯努利方程有：
1 2 1 p v p v2 2 2
p q p q
p v 1 ( )2 q v
若定义 p / q 为压力系数Cp ，可得C
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由伯努利方程可知，气流的动能转化为静压。静压在
表面施加作用力，就可以产生升力（或下压力），其 大小由所能得到的动压值决定，与速度的平方和空气 密度成正比。若要将动压有效的转化为静压和升力， 还取决于物体的形状。 例如，当翼剖面形状与理想气流流向一致时，如图 48所示，对产生下压力是非常有效的。
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根据前面对空气不可压缩和连续性条件的假定
，通过翼前端附近横截面的空气体积要等于流 过翼后端横截面的体积。因此，在翼剖面较厚 之处流管变细，空气流速增加，典型的情况如 图4-6所示:
汽车系统动力学
由图4-6可见，流管特性表现出“弹性”特性，即由
于空气速度的提高而导致静压下降，从而流管截面变 小。当流向翼剖面后端的空气速度减小后，流管便在 压强增加的情况下扩张，这就是所谓的“压力恢复” 。这种情况下，若翼剖面顶部的压降大于大部压降时 ，则形成升力，此时顶部空气流动更快，相对负压力 的分布如图4-7所示：
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通常情况下，两种形式的应力同时存在，只是所 占的比例不同。与压应力相比，物体周围大部分 气流中的剪切力都很小，空气微团间相互作用力 垂直于接触面，表现为法向压力。
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一、空气密度
空气做不规则运动，其能量受温度的影响，温
度越高，分子速度越高，移动距离越远。若单 位体积内分子数目保持不变，则空气质量和压 强也将保持恒定。因而单位体积内的分子数量 也随温度的不同而不同，单位体积内空气质量 和空气密度会随温度发生变化。
v 是气流速度；L是适当选择的描述 式中， 流体特性的长度； 是流体的运动粘度。
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2 对雷诺数Re的物理解释如下：动态压强等于 v / 2 ，是运
动粒子与物体相撞后动能转换为压力所引起的单位面积 受到的力。所以，惯性力和动压的作用面积之积成正比 ，即：