空气动力学基础知识教学教材共59页文档
空气动力学基础知识
空气动力学基础知识飞机的飞行原理第一章空气动力学基础知识一、空气的物理参数二、空气的物理性质三、大气分层四、国际标准大气五、气流特性空气是飞机的飞行介质。
随着高度的增加，空气的密度、温度、压力、音速和空气的物理参数和性质也随着变化，影响着飞机飞行中的空气动力性能、发动机的工作状态、飞机的机体结构连接间隙的变化和飞机的座舱环境的控制等。
基于上述原因，在讨论飞机的飞行原理之前，首先要对空气的物理参数和基本性质、大气的分层和国际标准大气、气流特性及气流流动的基本规律、附面层等有所了解，作为了解和掌握飞机飞行原理的基础。
一、空气的物理参数空气的密度、温度和压力是确定空气状态的三个主要参数，飞机空气动力的大小和飞机飞行性能的好坏，都与这三个参数有关。
1、空气的密度空气的密度是指单位体积内空气的质量，取决于空气分子数的多少。
即：ρ＝m/V公式中：ρ为空气的密度，单位是“千克/米3”；m为空气的质量，单位是“千克”；V为空气的体积，单位是“米3”。
空气的密度大，说明单位体积内空气的分子数多，我们称为空气稠密；空气的密度小，说明单位体积内空气的分子数少，我们称为空气稀薄。
大气的密度随高度的增加而减小。
2、空气的温度空气的温度是指空气的冷热程度。
空气温度的高低表明空气分子作不规则热运动平均速度的大小。
空气温度的高低可以用温度表（计）来测量。
空气的温度一般用“t”来表示。
我国和世界上大多数国家通常采用的是摄氏温度，单位用摄氏度（℃）表示。
西方的一些国家和地区采用的是华氏温度，单位用华氏度（℉）表示。
摄氏温度（℃）和华氏温度（℉）可以用下式进行换算：℉＝9/5℃十32℃＝(℉—32)5/9例如：0℃为32℉；15℃为59℉。
工程计算中经常采用“绝对温度”的概念，用“T”表示，单位用开氏度（oK）表示。
当空气分子停止不规则的热运动时，即分子的运动速度为零时，我们把这时的温度作为绝对温度的零度。
绝对温度（T）与摄氏温度（t）之间的关系可以用下列公式进行换算：T＝t＋273绝对温度的0oK等于摄氏温度－273℃3、空气的压力空气的压力（也称气压）是指空气的压强，即单位面积上所承受空气垂直方向的作用力。
空气动力学基础01大气物理学
1.1.3 大气压力
大气压力
大气层内空气的压强，即物体单位面 积上承受的空气的垂直作用力。
产生原因
上层空气的重力对下层空气造成了压 力 空气分子不规则的热运动
因为大气压力随高度和温度变化， 所以规定在海平面温度为15 ℃时 的大气压力为一个标准大气压
1.1.4 粘性
粘性
流体内两相邻流层的流速不同时，或流体与物体间发生相对 运动时，两个流层接触面上或流体和物体接触面上便产生相 互粘滞和相互牵扯的力，这种特性就是流体的粘性。
1.1.7 音速
音速
小扰动在介质中的传播速度。 不同介质下： 2 p
a1 T
1.2 大气层的构造
大气分为五 层
对流层 平流层 中间层 电离层（ 热层） 散逸层
1.3 国际标准大气（ISA）
1.3.1 国际标准大气的制定
大气的物理性质是变化的，使航空器上产生的空气动力也发 生变化，影响飞行性能； 为便于设计、试验和分析航空器性能，需要建立一个统一的 标准，即标准大气。 国际民航组织（ICAO）根据对北纬40 °～50°区域的地球大 气多年观测的结果，加以模型化，给出的一种假想的大气模 型。
525.95 462.49 405.39 354.16 308.31 267.40 231.02 198.76 170.26 145.50
0.7846
0.6920 0.6085 0.5334 0.4660 0.4057 0.3519 0.3040 0.2615 0.2240 0.1915
1.0066
当大气流过飞行器表面时，在一些部位气流速度增加 ，气流的压力会减小，密度也会随之下降
第二章 空气动力学基础
U2为高空侦察机，为长时间翱翔，典型出 一次任务约10~12小时，U2展弦比为10.5
F104为高速拦截机，速度达2倍音速以上， 展弦比4.5，自然界也是如此，信天翁为长 时间遨翔，翅膀展弦比高，隼为掠食性动 物，为求高速、灵活，所以展弦比低。
• 第八节 基本飞行动作
升降舵：控制飞机的升降（抬头。、压头）。 升降舵面拉起，飞机以重心为轴，机头向上，机 尾向下，进行爬升。相反，舵面下压，进行下降。
• 第六节 雷诺数与失速
机翼的升力随攻角的增大而增加，攻角就是翼弦 线与气流的夹角
攻角为零度时对称翼此时不产生升力，但克拉克Y 翼及内凹翼仍有升力，后二种翼型要负攻角才不 产生升力，不产生升力的攻角叫零升攻角﹝如图 3-11﹞，
所以对称翼的零升攻角就是零度，谁都知道攻角 增加有一个上限，超过这上限就要失速，那机翼 什么时候会失速呢？﹝图3-12a﹞是飞机正常飞行 时流经机翼的气流，﹝图3-12b﹞是飞机失速时的 气流，这时上翼面产生强烈乱流，直接的结果是 阻力大增，而且气流冲击上翼面，使升力大减， 于是重力主控这架飞机，就是摔下去啦，那我们 想事先知道机翼什么时候会失速，这就有需要知 道雷诺数
• 第四节 飞行中的阻力
如何减少阻力是飞机设计的一大难题，飞行中飞 机引擎的推力全部用来克服阻力，如果可以减少 阻力则飞机可以飞得更快，不然可以把引擎改小 减少重量及耗油量，拿现代私人小飞机与一次大 战战斗机相比，引擎大约都差不多一百多匹马力， 现代私人小飞机光洁流线的机身相对于一次大战 战斗机整架飞机一堆乱七八糟的支柱与张线，现 代飞机速度几乎是它前辈的一倍，所以减少阻力 是我们设计飞机时需时时刻刻要注意的
液冷式发动机
空冷式发动机
• 我们先要了解阻力如何产生，一架飞行中飞机阻 力可分成四大类：
(word完整版)简明空气动力学 1.0
第一章 流体力学基础1. 流体:液体与气体不能保持固定的形状,富有流动性.2. 气体的状态参数密度-单位体积所含的气体质量。
比重-单位体积的气体重量。
比容—单位质量气体的体积，即密度的倒数。
压强—作用于单位面积上的法向力。
3. 气体的热力学性质热力学物质体系：用热力学去处理的客体和周围环境其他物体划分开的一个任意形态的物质体系。
物系和外界的关系：既无物质交换，又无能量交换，称为隔绝体系；无物质交换，但有能量交换，称为封闭体系;有物质交换，又有能量交换，称为开放体系。
4. 压缩性：一定质量流体在压强P 改变时其体积可以改变的性质。
流体的压缩性可以用体积弹性模数E 衡量：ρρd dPE =（体积弹性模数：使单位体积相对变化量或密度相对变化量等于1时所需的压强增量.)E 越大，表示流体越不易压缩。
E 的大小与流体种类有关，对于气体还和温度有关。
5. 黏性系数μ：μ越大，则摩擦力越大，即黏性越大。
黏性系数与气体种类有关，也与温度有关，随温度升高而增加,与压强基本无关.6. 作用在流体上的力：表面力和质量力。
7. 流线:在任一瞬时，在流场中都可以画出一系列曲线，是曲线上每点的切线方向与该点的速度方向重合。
对于定常流而言，这种流线不随时间变化,流线即流体质点的运动轨迹。
对于非定常流而言，流线随时间而变，因为流线是按每一瞬时的速度分布画出的，流线不是流体微团的运动轨迹。
8. 流管：有流线组成的管子,管子壁面由流线组成。
9. 理想流体：无黏性的流体。
10. 等熵流：沿流线熵不变。
（不同流线上的熵可能不同）11. 均熵流:不仅沿流线熵不变，而且各条流线上的熵都相同。
12. 可压流:在流动中流体微团的密度是变化的，也就是说在流场中密度为变量,则称这种流动为可压流。
13. 不可压流：在流动中流体微团的密度保持不变,也就是说在流场中密度为常数，则称这种流动为不可压流。
14.15. 定常均熵流(定常理想绝热流）的伯努利方程:16. 气流总参数：总压：总温：总密度:17. 计算题:P27 例题18. 马赫数:速度与音速的比值。
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。
空气动力学基础知识
3、中间层
中间层是在平流层之上，其顶端离地面的高度 大约为80～100公里。 中间层的特点： 1）随着高度的增加，空气的温度先升后降 中间层的气温，当高度增加到45公里时，由35 公里时的－56.5℃增加到40℃左右，再随着高度的 增加，到80公里时，温度降低到－65.5℃以下。 2）有大量臭氧存在。 3）有水平方向的风，且风速相当大。 4）空气质量很少，只占整个大气的三千分之一。 这层空气不利于飞机飞行，只有探空气球飞行。
四、国际标准大气（表）
飞机的飞行性能与大气状态(温度、气压、 密度等)密切相关，而大气状态是瞬息多变的， 为了便于比较飞机的飞行性能，就必须以一定 的大气状态作为衡量标准。国际航空协会组织 参照中纬度地区(北纬35º ～60º 之间)大气状态的 平均值，订出了大气的状态数值，作为计算和 试验飞行器的统一标准，以便于对飞机、发动 机和其他飞行器的试飞结果和计算结果加以比 较。处于这种状态下的大气，我们叫国际标准 大气。
2、空气的压缩性
一定质量的空气，当压力或温度改变时， 引起空气密度变化的性质，叫做空气的压缩性。 影响空气压缩性的主要因素： 1）气流的流动速度（v）。气流的流动速 度越大，空气密度的变化显著增大（或密度减 小的越多），空气易压缩（或空气的压缩性增 大）。 2） 空气的温度（t）。空气的温度越高， 空气的密度变化越小（或密度减小的越少） ， 空气不易压缩（或空气的压缩性减小）。
4）有云、雨、雾、雪等天气现象 地球表面的海洋、江河中的水由于太阳照射而不断蒸 发，使大气中常常聚集着各种形态的水蒸气，在空中形成 了“积雨云”，随着季节的变化，就会形成云、雨、雾、 雪、雹和打雷、闪电等天气现象。 5）空气的组成成分一定 对流层中几乎包含了全部大气质量的3/4，主要是由于 地球引力作用的结果。 由于对流层具有以上特点，会给飞机的飞行带来很大 影响。在高空飞行时，气温低，容易引起飞机结冰，温度 变化还会引起飞机各金属部件收缩，改变机件间隙，甚至 影响飞机正常工作。上下对流空气会使飞机颠簸，既不便 于操纵，又使飞机受力增大。
第二章空气动力学基础
雷诺数原始公式是：
• Re=ρ‧V‧b/μ ρ是空气密度、V是气流速度、b是 翼弦长、μ黏性系数。因对模型飞机而言空气密度与 黏性系数是定值，因为你不会飞很高故空气密度不变， 而且你不会飞到水里故黏性系数不变，故以上公式可 简化为：
• Re=68500‧V‧b V单位是公尺/秒 b是公尺。雷诺数越 大越不容易失速，一架飞机的失速角不是一定值，速 度越慢时﹝雷诺数小﹞越容易失速，翼面负载越大时， 因飞行时攻角较大也越容易失速，三角翼飞机翼弦都 很大，所以雷诺数大，比较不容易失速。
• 第五节 翼面负载
翼面负载就是主翼每单位面积所分担的重量， 这是评估一架飞机性能很重要的指针，模型飞 机采用的单位是每平方公寸多少公克﹝g/dm2﹞， 实机的的单位则是每平方公尺多少牛顿 ﹝N/m2﹞，翼面负载越大意思就是相同翼面积 要负担更大的重量，如果买飞机套件的话大部 分翼面负载都标示在设计图上，计算翼面负载 很简单，把飞机﹝全配重量不加油﹞秤重以公 克计，再把翼面积计算出来以平方公寸计﹝一 般为简化计算，与机身结合部分仍算在内﹞两 个相除就得出翼面负载，例如一架30级练习机 重1700公克，主翼面积30平方公寸，则翼面负 载为56.7 g/dm2。
第三节 翼型介绍
飞机最重要的部分当然是机翼了，飞机能飞在空 中全靠机翼的浮力，机翼的剖面称之为翼型，为 了适应各种不同的需要，航空前辈们发展了各种 不同的翼型，从适用超音速飞机到手掷滑翔机的 翼型都有，翼型的各部名称如﹝图3-1﹞
因为翼型实在太多种类了，一般人如只知编号没 有坐标也搞不清楚到底长什么样，所以在模型飞 机界称呼翼型一般常分成以下几类﹝如图3-2﹞：
液冷式发动机
空冷式发动机
• 我们先要了解阻力如何产生，一架飞行中飞机阻 力可分成四大类：
空气动力学基础--空气动力学 ppt课件
PPT课件
7
体积流量
Q Av
质量流量
qm Av
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2.2 流体流动的基本规律
2.2.1 连续方程
连续方程是质量守恒定律在流体定常流动中的应用。 连续方程：
1 A1v1 2 A2v2 3 A3v3 ...
2.3.2机身的几何形状和参数
为了减小阻力， 一般机身前部为圆头锥体， 后都为尖 削的锥体，中间较长的部分为等剖面柱体。
表示机身儿何形状特征的参数
机身长度Lah 最大当量直径Dah 长细比λah =Lah/Dah
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2.4 作用在飞机上的空气动力
2.4.1 空气动力、升力和阻力 2.4.2 升力的产生 2.4.3 阻力 2.4.4 升力和阻力 2.4.5 升力系数曲线、阻力系数曲线和升阻比曲线、极
连续介质
组成介质的物质连成一片，内部没有任何空隙。
在其中任意取一个微团都可以看成是由无数分子组成 ，微团表现出来的特性体现了众多分子的共同特性。
微小的局部也可代表整体
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5
2.1.3 流场、定常流和非定常流
流场
流体流动所占据的空间。
非定常流
在流扬中的任何一点处，如果流体做困流过时的流动多数随 时间变化，称为非定常流；这种流场被称为非定常流场。
曲线 2.4.6 机翼的压力中心和焦点(空气动力中心)
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24
2.4.1 空气动力、升力和阻力
空气动力
空气作用在与之有相对运动物体上的 力称为空气动力。
飞机飞行时，作用在飞机各部件上 的空气动力的合力叫做飞机的总空 气动力， 用R 表示。
空气动力学基础
我把Introduction to flight的第四章Basic aerodynamics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，所以就不总结了。
本文档包括两部分，一是一些基本方程，二是这些方程的一些应用。
我读书只是蜻蜓点水，对一些公式的理解可能有错误；写的只是大致的推导过程，难免有不细致严谨之处；对一些英文的翻译可能不标准，同时可能输入有误。
希望大家批评指正、私下交流。
真心希望我们共同为之润色添彩，使其更加准确无误。
同时，大家有什么学习资料都记得共享啊，让我们共同进步！大家可以再看看领域导论书，看了这个总结，再看书就比较简单了。
看书最好也看看例题，例题不仅是对公式的简单应用，而且有些还包含新的知识，能增进我们对公式的理解。
这些内容只能算是一些变来变去的简单代数问题，大家不要有压力。
不过有几条注意事项：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（universal gas constant），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(specific gas constant)，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应理解为单位质量，后面的能量方程中的V2也包含单位质量1，不然与h的量纲就不统一了；在二、公式应用——3、空速测定——C、高速亚声速流中，我们可以看出在本书中，Pv=RT，同样把大物书上的状态方程Pv=R普适T中的m当成单位质量1，并利用普适气体常量和个别气体常量的关系R个别=R普适/M，即可推出Pv=RT。
空气动力学基础
废阻力 Parasite Drag
升力
粘性
① 摩擦阻力
由于紧贴飞机表面的空气受到阻碍作用而流速降低到零,根据作 用力与反作用力定律,飞机必然受到空气的反作用，这个反作用力 与飞行方向相反,称为摩擦阻力，
第二章 第 63 页
●影响摩擦阻力的因素
摩擦阻力的大小与附面层的类型密切相关,此外还取决于空气 与飞机的接触面积和飞机的表面状况，
第二章 第 7 页
●对相对气流的现实应用
直流式风洞
第二章 第 8 页
回流式风洞
●风洞实验段及实验模型
第二章 第 9 页
●风洞的其它功用
第二章 第 10 页
2.1.3 迎角
迎角就是相对气流方向与翼弦之间的夹角，
第二章 第 11 页
●相对气流方向就是飞机速度的反方向
第二章 第 12 页
●相对气流方向是判断迎角大小的依据
v1 v2
P1 P2
●升力的产生原理
上下表面出现的压力差,在垂直于 远前方 相对气流方 向的分量,就是升力，
机翼升力的着力点,称为压力中心 Center of Pressure
第二章 第 43 页
2.2.2 翼型的压力分布
① 矢量表示法
当机翼表面压强低于大气压,称为吸力， 当机翼表面压强高于大气压,称为压力， 用矢量来表示压力或吸力,矢量线段长度为力的大小,方向为力的 方向，
粘性流动 沿物面法线方向速度不一致
② 附面层的特点
I. 附面层内沿物面法向方向压强不变且等于法线主 流压强，
P1
P2
只要测出附面层边界主流的静压,便可得到物面各点的静压, 它使理想流体的结论有了现实意义，
第二章 第 56 页