《空气动力学基础》绪论

流体力学研究所 张华
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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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。
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19世纪初流体力学环量理论彻底改变了人们的 传统观念。
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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：
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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。
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卡门（V.Karman， 1881－1963，美国）
泰勒（G.Taylor， 1886－1975，英国）
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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。
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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。
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高尔夫球运动起源于15世纪的苏格兰。
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起初，人们认为表面光滑的球飞行阻力 小，因此当时用皮革制球。
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最早的高尔夫球（皮革已龟裂）
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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20世纪建立流体力学边界层理论后才解开。
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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？
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拉格朗日（J.Lagrange，1736 －1813，意大利)
拉普拉斯（PS.Laplace，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：
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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。
人类的祖先在海洋里生活了40亿年。
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人类在空气里也生活了700万年。
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虽然生活在流体环境中，人们对一些流 体运动现象却缺乏认识，比如：
1. 高尔夫球 ：表面光滑还是粗糙？ 2. 汽车阻力 ：来自前部还是后部？ 3. 机翼升力 ：来自下部还是上部？
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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？
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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。 38/70
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二、空气动力学的研究对象
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• 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。
雷诺（O.Reynolds，1842 －1912，爱尔兰） 发现了两种流动状态。
瑞利（J.Rayleigh， 1842－1919，英国） 建议采用量纲分析法。
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（1785－1836， L.Navier 法国）
（1819－1903， G.Stokes 英国）
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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。
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50～60年代又改进为船型，阻力系数为0.45。
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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。
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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。
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幻影2000
Wilbur Wright （1867~1912）
Oville Wright （1871~1948）
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 特（L.Prandtl，1875－1953）创立的边界层理论为标志。
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同一时代的重量级人物还包括卡门、泰勒等众多科学家
普朗特（L.Prandtl， 1875－1953，德国）
平板边界层
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。
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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。
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• 在理论上对物体的绕流现象和受力情况进行分析研究时， 可以用物体不动气流运动代替气流不动物体运动的情况， 只要远前方气流速度V是常数，一定迎角下空气流过机翼 的绕流图画就不随时间变化。这种观察方法往往比在地面 观察飞机对流体的扰动要更加直观方便。
• 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
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• 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。
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？
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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20世纪建立流体力学边界层理论后才解开。
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光滑的球
表面有凹坑的球
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现在的高尔夫球表面有许多窝，在同样大小和 重量下，飞行距离为光滑球的5倍。
汽车阻力 汽车发明于19世纪末。
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阿基米德（Archimedes, 287-212 B.C.希腊）
• 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 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）
空气动力学 I
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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》
主讲：航空科学与工程学院 张 华 教授
电话： 82313570（h） E-mail: huazhang5@sina.com
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学习本课的几点要求
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再例如：大雁为什么会排成“人”字或“一”字飞行？
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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？
• 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；
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。
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测量和计算表明上部吸力的贡献比下部要大。
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NACA2412翼型在7.4度攻角时的压强分布
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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 • 水无色透明
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后来又出现楔型，阻力系数为0.2。
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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。
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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。
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协和
A380
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使重量超过3百吨，面积达半个足球场的大型民航客机，靠空气 的支托像鸟一样飞行成为可能，创造了人类技术史上的奇迹。
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利用超高速气体动力学，物理化学流体力学和稀薄气体力学的 研究成果，人类制造出航天飞机，建立太空站，实现了人类登 月的梦想。
• 回答随机提问；注意章末重点；必要时做简单测验；及时 进行答疑；认真完成作业；旷课将会扣分。
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绪论
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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、空气动力学的分类与研究方法
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一、几个基本的空气动力学问题
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风洞测力实验
风洞流动显示
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地面的观察：运动机翼使原本静 止空气中的质点走过图示轨迹
风洞中的观察：空气质点走 过图示轨迹
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三、空气动力学的发展进程简介
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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。
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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。
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因此早期的汽车后部是陡峭的，称为箱型车， 阻力系数CD很大，约为0.8。
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实际上，汽车阻力主要取决于后部形成的尾流。
肉眼难以观察
• 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：
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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。
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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。
儒可夫斯基（Joukowski，1847－1921）
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周培源（1902－1993）
钱学森（1911－）
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• 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
• 1903年12月27日，莱特兄弟驾驶他们设计制造“飞行者一号 ”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
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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。
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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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达朗贝尔 （J.d’Alembert， 1717－1783，法国）