空气动力学

化学反应
空气电离
等离子鞘套 等离子体振荡频率
黑障 气动热化学
无线电截止频率无线电信号屏蔽
常温常压 O2占20% N2占80%完全气体 P RT 2000K<T<4000K O22O 4000K<T<9000K N22N 9000K<T 原子电离OO++e- NN++e- O,N,阳离子O+, N+和自由电子的等离子体
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
塔科玛峡谷桥风毁事件及电线风鸣声
19米/秒的风流经边
墙
卡门涡街
风吹电线
涡交替发放
流体物体施加横向交变侧向力 物体流体施加横向交变气动力
上下逆向旋涡 带走动量方向相反
桥梁振动
涡发放频率 桥梁结构的固有频率
共振破坏
压强脉动形成声波 辐射声波
正激波及阻力 斜激波
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
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 降低波阻的超音速气动布局如后掠翼、面积率蜂腰机身等
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
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
空气动力 学
绪论及基本概念、知识
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 流体动力学
液体
水力学 理论流体动力学 润滑理论
气体 无黏流动 黏性流动
变化小
变化大
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
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 电磁流体动力学
简化方程
科学抽象/数学方法得到定量结论 揭示物理现象的内在规律/具有相对普适性 抽象模型简化无法满足复杂实际问题的研究需要 非线性偏微分方程组解析解困难强烈依赖数学分析方法、数学理论的发展
连续介质假设 分子统计力学
流体充满一个体积
无规则热运动大量分子
无分子空隙 无分子运动
连续介质
宏观运动规律 不考虑微观结构
车辆空气动力学
车型迎风阻力 拖曳涡涡阻 占62%
空气阻力 表面摩擦阻力 占9% 外部零件干扰阻力 占17% 内部气流阻力 占12%
空气阻力下降10% 油耗降低5%
体育中的空气动力学
旋转球
香蕉球
弧圈球
黏性
上表面流体流速高低压 下表面流体流速低高压
侧向力 马格努斯力
顺时针旋转圆柱
不对称分离 侧向力
研究方法
理想不可压流体 伯努利方程
p v2
2
const
假设
库塔-儒可科夫 斯基定理
LV
凯尔文定理 D 0 Dt
实际
环量从何而来？
黏性
附面层 旋涡/涡
量
Stokes定 理
AndAc
翼型非对称附面层内涡量总和 即为导致升力的环量
飞行器气动部件及其空气动力学机理
翼尖尾涡 下洗速度
诱导阻力 实际升力 有效迎角 升力
来流 下洗角
尾涡
翼梢小翼
削弱尾涡 阻挡气流上卷 下洗速度
诱导阻力
内向侧力
百度文库
升力 推力
翼梢小翼
内向侧力
升力 推力
激波
V1 a 1
V2 V1
激波阻力 D shmV1V20
后掠机翼
平直机翼
边条涡
V
n
是产生升力/激波的有效速 度
后掠翼可提高产生激波的Macr
边条翼：下表面压力>上表面压力
气流旋转 涡旋转 边条涡
气流继续增压
燃烧室/燃烧 扩张喷管
气流超音速喷出 推力
航天空气动力学
热障及黑障
热辐射 热传导
动能热能 黏性 摩擦力 摩擦生热 可压缩性 激波 压缩增温
气流带走
加热飞行器表面 结构强度
刚度
热障 气动热力学
F16战斗机 Ma=2温度120℃铝合金 黑鸟SR-17侦察机 Ma=3温度370℃93%钛合金 航天飞机 Ma=36温度11000K硅瓷片防护瓦、烧蚀材料
100km以下
伯努利方程
动量守恒 DVRp
Dt
忽略空气质量 定常流动 忽略黏性/理想流
体 不可压流体
p V2 const
2
Dvx Dt
Rx1px1x2vxx 2 3V1yvyx vxy 1zvzx
vxz
Dvy Dt
涡心P低而V高 流经部位压力低
涡升力
注入机翼表面气流能量推迟分离
高速气体（空气或燃气）在压缩性呈显著作用时的流动规
发动机气体动力学 律及其与物体之间的相互作用；
气体在物体内部（如发动机）的运动规律；
航空发动机主要部件及其作用
压气机/风扇：气体增压
燃烧室：气体加热
涡轮：气体膨胀
音障/音爆/音爆
云
弱压缩波
龙卷风 积雨云中大范围分布的涡量
由下降气流带到地面 涡管拉细/涡量增强 地面气压急剧下降/风速急剧上升
森林空气动力学 建筑物空气动力学
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
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
空气动力学基本理论
风洞/水洞/其他实验台
架
模型 实物
结果真实/可靠//丰富
学时1
基础性
为理论分析/数值计算提供依据
应用性 实验研究 尺寸/边界/测试仪器及方法限
开拓性
制
耗时/耗力/耗经费
基本概念如连续介质
理论研究 定律如三大守恒定律
数学工具如复变函数
具体物理现象 主次因素
抽象模型 定量分析
运动规律 相对普适 解析解
基本任务：空气、气体的运动规律及其与固体之间相互作用力
航空、航天、汽车/列车、建筑/桥梁、叶轮机械（风机/汽轮机等）、
天气预报、船舶、体育运动、……
航空飞行器空气动力学
空气流过飞行器外部时运动规律
升力储备：爬升、机动飞行 气动效率：高升阻比 稳定性、操控性 表面压力及换热规律：材料、结构
飞行器升力及形成机理
流 压缩减速
膨胀加速
超音速气流
尾激波
压缩减速
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。
冲压发动机
亚燃冲压发动机 3<Ma<6
进气道及扩压段 斜激波及正激波
气流增压至亚音速
燃烧室 燃烧
拉伐尔喷管 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
隔离段 附面层诱导激波串
分子密度低 电离弱
80km<
黑障区
<
54.8km
大气稠密减速至一定程度 温度低电离弱
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。