飞机原理与构造第四讲高速空气动力学基础
民用机飞行原理——高速空气动力学基础
(一) 弱扰动是怎样传播的?
交替地以弱压缩波和弱膨胀波的形式向外 传播，也可能以单纯的弱压缩波或弱膨胀波的 形式向外传播。总之不论是哪一种弱扰动，都 是以波的形式向远离扰动源的空间传播的。
(二) 弱扰动的传播速度——音速
• 不论是哪一种弱扰动，其传播速度就是音速， 即音波的传播速度。
• 音速在空气中的快慢也取决于空气是否容易压 缩。
第十四章 高速空气动力 学基础
主要分析高速飞行时气流特性，高速飞行空气动力的 变化规律，高速飞机翼型和机翼的空气动力特性以及 高速飞机安定性和操纵性的特点等问题
第一节、高速气流特性
• 高速飞行中气流特性之所以会出现不同于低速 飞行气流特性的现象，其根本原因是空气具有 压缩性的缘故
一、空气的压缩性
•气流M数或局部M数：在高速气流 中，在飞机周围各点气流速度与当 地音速之比。
(四) 弱扰动在气流中的传播
三、空气的压力、密度和温度 随流速的变化
• 高速气流规律： • 流速加快，压力、密度、温度都同时降低；
流速减慢，压力、密度、温度都同时升高。 • 空气压缩性影响的伯努利方程从能量守恒定律的观点
中表述为：在同一流管的各切面上，空气的压力能、 内能和动能之和保持不变，即总能量为一个常数。
•由此可见，空气沿流管从一个切 面流到另切面，如果动能增加，则 压力能与内能之和必然减少；如果 动能减少，则压力能与内能之和必 然增加 。
四、流管切面面积随流速的变化
• 在亚音速气流中，流管切面面积随着流速的增 大而减小；
• 在超音速气流中，流管切面面积随着流速的增 大而增大。 ρVA=常数 式中ρ—流管某一切面处空气密度； V—流管某一切面处的气流速度； A—流管某一切面处的流管切面积。
飞机原理与构造第四讲_高速空气动力学基础(优.选)
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高速气流的特性
空气压缩性与音速a的关系
a dp
d
a 39 t 273 海里/小时
a 20.1 t 273 公里/小时
音速与传输介质的可压缩性相关，在空 气中，音速大小唯一取决于空气的温度，温 度越低，空气越易压缩，音速越小。
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高速气流的特性
亚音速、等音速和超音速的扰动传播
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高速气流的特性
空气的压缩性与飞行速度的关系
在大速度情况下，气流速度变化引起空气密度的变
化显著增大，就会引起空气动力发生额外的变化，甚至 引起空气动力规律的改变，这就是高速气体特性所以区 别于低速气流根本点。
飞行速度
200 400 600 800 1000 1200
空气密度增加的百分比 1.3% 5.3% 12.2% 22.3% 45.8% 56.6%
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激波前后气流参数变化 28
激波与膨胀波 激波实例
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激波与膨胀波 激波实例
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激波与膨胀波
激波
由于激波前后压力差相当大(例如，飞行速度为每小 时1800公里，激波后面的压力会比激波所压力提高1.39大 气压每平方米，将增大139000牛顿的空气压力)。
压力减小 收缩的流管 流速增大 密度不变
温度不变
压力减小
压力增大
流速增大 密度减 流速减小 密度增大
小
温度降低
温度升高
压力增大 扩张的流管 流速减小 密度不变
温度不变
压力增大
压力减小
流速减小 密度增 流速增大 密度减小
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。
空气动力学原理
空气动力学原理空气动力学原理是研究空气在物体表面作用下产生的力的学科，主要用于飞行器、汽车、建筑物等工程设计中。
空气动力学原理的理论基础包括气体力学、流体力学和运动学，它们解释了空气对物体的压力、阻力和升力产生的原理。
本文将介绍空气动力学原理的基础概念和应用。
1. 气体力学气体力学是研究气体的性质和行为的学科。
在空气动力学中，气体力学的基本原理包括气体的状态方程、气体分子的速度分布和气体分子与物体之间的碰撞。
根据气体力学的原理，我们能够计算流经物体表面的气体的压力和温度分布，从而理解空气对物体表面产生的力。
2. 流体力学流体力学是研究流体（液体和气体）的运动规律和性质的学科。
在空气动力学中，流体力学的基本理论包括连续性方程、动量方程和能量方程。
这些方程描述了空气在不同速度和压力下的流动方式，通过解析这些方程，我们可以预测空气在物体表面的流动情况。
3. 升力和阻力在空气动力学中，升力和阻力是两个重要的概念。
升力是空气对物体垂直于运动方向的力，而阻力是空气对物体平行于运动方向的力。
升力和阻力的产生与物体表面的形状、大小和运动状态有关。
对于飞行器来说，升力的产生是通过翼型的气动性能，而阻力则与飞行器的阻力系数和速度有关。
4. 翼型与气动力性能翼型是飞行器上机翼的横截面形状。
在空气动力学中，翼型的形状决定了空气在其上表面和下表面的流动情况，进而影响了升力和阻力的产生。
常见的翼型包括对称翼型、半对称翼型和非对称翼型，它们具有不同的气动力性能。
通过对翼型的气动力学性能进行研究和优化，可以提高飞行器的升力和降低阻力。
5. 应用领域空气动力学原理在多个领域有广泛的应用。
在航空航天工程中，空气动力学原理被用于设计和改善飞机、火箭和卫星的气动外形，以提高其飞行性能。
在汽车工程中，空气动力学原理被用于减少汽车在高速行驶时的空气阻力，从而提高燃油经济性。
在建筑工程中，空气动力学原理被用于对高层建筑、桥梁和其他结构物的风载荷进行估算和设计。
飞机空气动力学原理
飞机空气动力学原理
飞机空气动力学原理是研究飞机在空中飞行时受到的空气力学力的学科。
飞机在飞行过程中，必须克服引起阻力的空气阻力，同时利用空气动力学力来产生升力和推进力。
首先，了解空气动力学原理的基础是空气的流体特性。
空气是一种气体，在空间中可以自由流动。
当飞机运动时，空气会被迫与其接触，并对其产生作用力。
这些作用力可以分为阻力、升力和推力。
阻力是飞机在空气中运动时受到的阻碍力量。
主要有两种形式，即废气阻力和气动阻力。
废气阻力是由于飞机的发动机排放废气产生的。
气动阻力是由于空气与飞机表面摩擦产生的。
为了减小阻力，飞机的外形设计通常会采用流线型，以减少气流的阻碍。
升力是使飞机脱离地面、保持在空中飞行的力量。
它是通过飞机机翼上的气动力学原理产生的。
机翼的设计使得上表面的气压比下表面低，从而产生一个向上的升力。
此外，机翼上的襟翼也能够改变机翼形状，进一步调节升力的大小。
推力是飞机在空中前进的力量。
通常是由发动机产生的，通过喷射燃烧产物来产生反作用力推动飞机。
推力的大小取决于发动机的性能以及喷气速度。
除了上述三种主要的空气动力学力以外，还有其他一些影响飞机飞行的因素。
例如重力会使飞机朝下落，需要通过升力来抵
消。
风也会对飞机产生侧向的力量，需要通过控制飞机的舵面来调整方向。
总的来说，飞机空气动力学原理是飞机在空中飞行时受到的各种空气力学力的研究。
了解这些原理可以帮助我们更好地设计和改进飞机，提高飞行性能和安全性。
空气动力学基础知识
分类：
低速 亚声速 跨声速 超声速（高超）
稀薄气体空气动力学、气体热化学动力学、电磁流体力 学等
工业空气动力学
研究方法：
（1）流体微团： 空气的小分子群，空气分子间的自由行程与飞行器相 比较 太小，可忽略分子的运动
（2）流线：
一、流场（续）
（3）流管：
多个流线形成流管
管内气体不会流出
管外气体也不会流入，不同的截面上，流量相同
（4）定常流：
流场中各点的速度、加速度以及状态参数等只是几
何位置的函数，与时间无关
（5）流动的相对性
质量守恒原理在流体力学中的应用
或写成：
d dV dA0 V A
VAm(常数)
在连续V小方、程小：范围内常 数 ， d0 A大，V小
VA常数 A小，V大
三、伯努里方程（能量守恒定律）
在低速不可压缩的假设下，密度为常数
伯努里方程： 其中：p-静压，
p1V2 C(常数)
2
1/2V2 — 动压，单位体积的动能，与高
四、飞机的操纵机构
飞机：升降舵、方向舵、副翼及油门杆 导弹：摆动发动机喷管，小舵面 1.升降舵偏转角e
后缘下偏为正，产生正升力，正e产生负俯仰力矩M 2.方向舵偏转角r 方向舵后缘左偏为正，
正r产生负偏航力矩N 3.副翼偏转角a
右副翼后缘下偏 (左副翼随同上偏)为正 正a产生负滚转力矩L
五 、弹飞行运动的特点
刚体飞机，空间运动，有6个自由度：
三质、心飞x、行y、器z线运运动动的（自速度由增度减，升降，左右移动）
飞机的工作原理
飞机的工作原理飞机作为现代航空交通工具，其工作原理是基于空气动力学和牛顿力学的基本原理。
飞机的工作原理主要包括空气动力学、发动机推力和机翼升力三个方面。
一、空气动力学1.1 空气动力学基础飞机的运行依赖于空气动力学的基本原理。
空气是一种流体，其分子不断运动形成气流。
当飞机通过大气中运动时，会使得空气分子发生相对运动，产生气流。
1.2 机翼的作用飞机的机翼是实现升力的主要构件。
机翼上方的气流流速较快，下方流速较慢，根据伯努利定律，快速气流产生的动压小于慢速气流产生的动压，从而形成了上升的升力。
机翼的横截面呈现出翼型，可以通过改变翼型的设计来调节升力。
1.3 升降舵和方向舵飞机上的升降舵和方向舵用于调整飞机在空气中的姿态和方向。
升降舵位于尾翼上，通过改变升降舵的角度来调整飞机的俯仰姿态。
方向舵位于垂尾部分，通过改变方向舵的角度来调整飞机的偏航姿态。
二、发动机推力2.1 发动机的作用飞机的发动机负责提供足够的推力，以克服飞机的重力和空气阻力，使其能够在空中飞行。
发动机通常采用内燃机或喷气发动机。
2.2 内燃机原理内燃机是一种燃烧内部产生高温高压气体，通过气缸和活塞的工作循环将燃烧能量转化为机械能的燃烧机械装置。
内燃机可分为往复内燃机和涡轮内燃机两种。
2.3 喷气发动机原理喷气发动机是一种通过将空气经压缩后混合燃料燃烧，产生高温高压气体，并通过喷嘴将高速喷出的气体产生的反作用力来产生推力的发动机。
常见的喷气发动机有涡扇发动机和涡轮引气发动机。
三、机翼升力3.1 升力的原理机翼产生升力的原理是基于伯努利定律和牛顿第三定律。
通过机翼上方的气流流速较快，下方流速较慢，从而形成气流上升的压差，产生向上的升力。
3.2 翼型的选择翼型的选择对机翼升力的产生和飞行性能有着重要影响。
常见的翼型有对称翼型和非对称翼型，不同的翼型设计能够满足不同的飞行需求。
3.3 襟翼和襟翼的作用襟翼和襟翼是机翼上的可调节部件，用于增加机翼表面积，从而增加升力。
飞机的飞行原理--空气动力学基本知识 ppt课件
4、电离层（暖层、热层）
电离层位于中间层之上，顶界离地面大约 800公里。 电离层的特点： 1）空气温度随着高度的增加而急剧增加， 气温可以增加到400 ℃以上（最高可达1000 ℃ 以上）。 2）空气具有很大的导电性，空气已经被 电离，主要是带负电的电离子。 3）空气可以吸收、反射或折射无线电波。 4）空气极为稀薄，占整个大气的1/亿. 这层空气主要有人造卫星、宇宙飞船飞行。
PPT课件 16
对流层的特点： 1）气流随高度升高而降低 在对流层中．由于空气受热的直接来源不是太阳，而 是地面，太阳放射出的能量，大部分被地面吸收，空气是 被太阳晒热的地面而烤热的，所以越靠近地面，空气温度 就越高。在中纬度地区，随着高度的增加，空气温度从15 ℃降低到11公里高时的－56.5 ℃。 2）风向、风速经常变化 由于太阳对地面的照射程度不一，加之地球表面地形、 地貌的不同，地面各地区空气气温和密度不相同，气压也 不相等，即使同一地区，气温、气压也常会发生变化，使 大气产生对流现象，形成风，且风向、风速也会经常变化。 3）空气上下对流激烈 地面各处的温度不同，受热多的空气膨胀而上升，受 热少的空气冷却而下降，就形成了空气的上下对流。
PPT课件 17
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。
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 constanl，领域导论书上的P=p RT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/ P,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=RT3、本书中涉及到比热（specific heat），用C v （对于等体过程）和c p （对于等压过程）在表示。
直升机的飞行原理与空气动力学基础
直升机的飞行原理与空气动力学基础直升机是一种可以垂直起降的飞行器，它通过旋转的主旋翼产生升力，通过尾旋翼产生反扭力，实现悬停、飞行等动作。
直升机的飞行原理和空气动力学基础主要包括旋翼的升力产生、马力的消耗以及稳定性控制等方面。
首先，直升机的飞行原理是基于伯努利定律和牛顿第三定律。
旋翼是直升机实现升力产生的重要装置，其原理与飞机的机翼相似。
旋翼上表面产生了较快的气流速度，下表面产生了较慢的气流速度，由于伯努利定律，产生了下表面的气压高于上表面，因此形成了向上的升力，从而使直升机能够在空中飞行。
其次，直升机的飞行涉及到马力的消耗。
旋翼的旋转需要马力的输入，主要是通过内燃机或者电动机转动旋翼，从而产生升力。
直升机飞行时，需要克服气流的阻力和重力的作用，因此需要马力来提供足够的推力。
在飞行过程中，直升机需要调整主旋翼叶片的迎角和旋翼的转速，以及尾旋翼的工作状态，以获得不同的飞行形态和速度。
此外，直升机的稳定性控制也是直升机飞行的重要方面。
直升机的稳定性主要通过以下几个方面来保证：1.放样。
即调整主旋翼的迎角和旋翼的转速，使得升力与重力平衡，保持飞行高度稳定。
2.塔臂平衡。
传统直升机通过塔臂实现重心的调整，通过调整塔臂长度和位置，使得直升机在飞行过程中保持稳定。
3.尾翼的设计。
尾旋翼产生的反扭力会使直升机旋转，为了抵消这个旋转力矩，需要通过尾翼进行控制。
尾翼可以变化其迎角和转动方向，以产生不同的力矩，从而控制直升机的稳定性。
总的来说，直升机的飞行原理和空气动力学基础主要涉及旋翼的升力产生、马力的消耗以及稳定性控制等方面。
通过合理地调整主旋翼和尾旋翼的工作状态和角度，以及驱动系统的输入，直升机能够实现悬停、飞行和各种飞行动作。
直升机的研究和发展对于航空事业的进步具有重要意义，它不仅广泛应用于军事领域，也被广泛运用于民用领域，如医疗救援、警务巡逻、旅游观光和货运等。
《飞行原理空气动力》PPT课件
飞机在无风和不加油的条件下，连续飞行耗尽 可用燃油时飞行的水平距离
航时
飞机耗尽可用燃油时能持续飞行的时间。
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起飞
起飞定义：从起飞线开始，经过滑跑-离地爬升到安全高度（飞机高于起飞表面10.7 米—CCAR-25）为止的全过程。
主要性能指标：地面滑跑距离、离地速度和 起飞距离。
影响起飞性能的主要因素：起飞重量、大气 条件（密度、风向等）、离地时的迎角、增 升装置的使用、发动机的推力及爬升阶段爬 升角的选择等。
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3.4 巡航飞行
飞机巡航飞行应满足的平衡条件：升力等 于重力、推力等于阻力。
平飞所需速度：飞机在某高度上保持平飞 所需的升力（等于重量）对应的飞行速度。
平飞速度
1
平飞 （2W / CL S）2
19
影响平飞所需速度的因素： 飞机重量：重量愈大所需速度愈高。 升力系数：取决于飞机的迎角，迎角减小
如果着陆重量过大或机场温度较高或在海拔较高 的机场着陆，都会造成接地速度过大，使飞机接 地时受到较大的地面撞击力，损坏起落架和机体 受力结构；也会使着陆滑跑距离过长，导致飞机 冲出跑道的事故发生。
着陆时的重量不能超过规定的着陆重量。 在不超过临界迎角和护尾迎角的条件下，接地迎
角应取最大值，增升增阻的后缘襟翼在着陆时要 放下最大的角度，以最大限度的增加升力系数减 小接地速度
最大正过载表示飞机承受的气动升力指向 机体立轴的正向并达到最大；
最大最负过载表示飞机承受的气动升力指 向机体立轴的反向并达到最大；
最大速度表示此时飞机的载荷或升力不一 定最大，但机翼表面的局部气动载荷很大， 压力中心靠后，考验机翼结构局部强度的 严重受载情况。
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巡航飞行
巡航速度
《高速空气动力学》课件
燃烧室内部的材料需要具备出色的耐高温性能和抗烧蚀能 力，以确保发动机的可靠性和寿命。
05
高速空气动力学的发展趋势和展望
高速空气动力学面临的主要挑战
高马赫数流动的复杂性
随着飞行速度的增加，空气流动的特性变得更加复杂，包括湍流、激波、边界层分离等现象，这给数值模拟和实验测 量带来了极大的挑战。
研究高超声速飞行中的热力学效应和化学反应，对 于理解高超声速飞行中的空气动力学问题具有重要 意义。
数值模拟与实验验证
提高数值模拟的精度和稳定性，以及加强实 验验证，是未来研究的重点方向之一。
THANKS
感谢观看
高超声速飞行
随着科技的发展，高超声速飞行 已成为可能，这将对航空航天领 域产生重大影响。研究高超声速 飞行中的空气动力学问题，如热 力学效应、化学反应等，是未来 的重要研究方向。
数值模拟与实验验证 相结合
随着计算能力的提升，数值模拟 已成为研究高速空气动力学的重 要手段。未来将更加注重数值模 拟与实验验证相结合，以提高研 究的准确性和可靠性。
激波
由于流体速度的突然变化，导 致压力和密度急剧增加的现象
。
膨胀波
由于流体速度的减小，导致压 力和密度降低的现象。
形成机制
流体的压缩性和粘性是激波和 膨胀波形成的关键因素。
传播特性
激波和膨胀波在流体中以声速 传播。
高速流动的边界层理论
边界层
流体的一个薄层，其中流体的速度从零变化 到流体的自由流速。
件和目标。
风洞实验方法
风洞实验通常包括模型制作、安 装、气流调整、数据采集与分析 等步骤。这些步骤对于获得准确
可靠的实验结果至关重要。
飞行试验技术
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高速气流的特性 音波、音速、马赫数
音速：扰动在空气中的传播速度就是音速。
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鼓音（音波）的传播 7
高速气流的特性
音波、音速、马赫数
音波—弱扰动波
由于空气具有可压缩的物理特性，当空气受扰动时会 使空气的压力和密度发生了变化，就产生压力一升一降， 密度一疏一密的扰动波，一个接着一个地向外传播，这种 扰动波是空气被压缩和膨胀交替变化的结果，因此，我们 把这种空气不断反复发生扰动的弱扰动波称为音波。
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高速气流的特性
空气压缩性与音速a的关系
a dp
d
a 39 t 273 海里/小时
a 20.1 t 273 公里/小时
音速与传输介质的可压缩性相关，在空 气中，音速大小唯一取决于空气的温度，温 度越低，空气越易压缩，音速越小。
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高速气流的特性
亚音速、等音速和超音速的扰动传播
必须考虑空气压缩性的影响
M TAS a
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高速气流的特性
气流速度与流管截面积的关系
由连续性定理，在同一流管内
VA const 速度增加，空气密度减小。
在亚音速时，密度的减小量小于速度的增加量， 故加速时要求截面积减小。流量一定，流速快则截面 积减小；流速慢则截面积增大。
在亚音速气流 中,流管截面积随 流速的变化
飞机原理与构造 第四讲
第三章 高速空气动力学基础
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第三章 高速空气动力学基础
一、高速气流的特性 二、激波与膨胀波 三、高速气流中作用于翼型上的空气动力 四、后掠机翼
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高速气流的特性
当飞机由低速飞行进入高速飞 行，就会遇到某些激波、局部激波 等与低速飞行截然不同的现象。这 主要是高速飞行时，空气密度随飞 行速度的变化而变化，使飞机空气 动力发生了新的变化。这种变化， 又是由于高速飞行中气流特性发生 了显著变化所致。
空气密度随飞行速度变化的关系
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高速气流的特性
空气的压缩性与温度的关系
空气本身温度越高，越不易被压缩。 这种现象是空气分子热运动影响的结果。温度越高， 空气分子的整运动速度越大，在外界压力改变量相同的 条件下，体积变化小，密度变化也较小、空气压缩性较 少。气体温度越高，它抵抗外界压缩的能力越强，越难 压缩。 空气密度是否容易变化，与温度有很大的关系。
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高速气流的特性
音波、音速、马赫数
音速（a）：弱扰动在静止空气中传播的速度叫做音速
音速约等于每小时1227公里或每秒341米。音速大小用字母a 来表示。
1) 音速的快慢，取决于传播的介质。 介质越难压缩，音速就越大。
2) 音速的快慢，取决于空气温度变化。 空气的压缩性取决于空气温度，所以音速在空气中的快慢
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高速气流的特性
空气的压缩性与飞行速度的关系
高速气流之所以与低速气流有如此的差别，其根本 原因是空气具有压缩性的缘故。空气由于压力，温度等 条件改变而引起密度的变化叫做空气的压缩性。由于空 气的压缩性会引起一系列的问题：弱扰动的传播，高速 气流中压力和流速随流管截面积的变化，激波等。
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高速气流的特性
空气的压缩性与飞行速度的关系
在大速度情况下，气流速度变化引起空气密度的变
化显著增大，就会引起空气动力发生额外的变化，甚至 引起空气动力规律的改变，这就是高速气体特性所以区 别于低速气流根本点。
飞行速度
200 400 600 800 1000 1200
空气密度增加的百分比 1.3% 5.3% 12.2% 22.3% 45.8% 56.6%
最终取决于空气温度。气温低时，空气容易压缩，不能快速挤压 周围空气，音速慢。
3) 音速的快慢，取决于高度的变化。 音速一般在10—11公里以下，高度升高，音速下降。
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高速气流的特性
音波、音速、马赫数
马赫数(M数)
全面衡量空气压缩量的大小，要同时考虑飞行 速度和音速两个因素，一般用气流速度和音速的比 值来综合表达对空气压缩性的影响，这个比值称为 马赫数(称M数)。
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高速气流的特性
他研究物体在气体中高速运动时，发现了激波。确定 了以物速与声速的比值（即马赫数）为标准，来描述物体 的超声速运动。马赫效应、马赫波、马赫角等这些以马赫 命名的术语，在空气动力学中广泛使用，这是马赫在力学 上的历史性贡献。
20世纪物理学的两大杰出理论体系相对论和量子力学 的建立，都是受马赫的启发和影响而完成的。
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高速气流的特性
速度、密度和截面积在不同M数下的变化值
气流M数
0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6
流速增加的百分
比
1%
1%
1%
1%
1%
1%
1%
1%ห้องสมุดไป่ตู้
密度变化的百分
比
-0.04% -0.16% -0.36% -0.64% -1% -1.44% -1.96% -2.56%
截面积变化的百
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高速气流的特性
空气压缩性与马赫数M的关系
马赫数M是真速与音速之比。分为飞行马赫数和局部马赫数，
前者是飞行真速与飞行高度音速之比，后者是局部真速与局部 音速之比（如翼型上表面某点的局部马赫数）。
M数越大，空气被压缩得越厉害。
低速飞行(马赫数M<0.4)
可忽略压缩性的影响
高速飞行(马赫数M>0.4)
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高速气流的特性
气流速度与流管截面积的关系
由连续性定理，在同一流管内
VA const 速度增加，空气密度减小。
在超音速时，密度的减小量大于速度的增加量， 故加速时要求截面积增大。
因此，M>1时，流管扩张，流速增加，流管收缩，流速减小。
在超音速气 流中,流管截面积 随流速的变化
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M=V/a
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高速气流的特性
恩斯特·马赫（Ernst Mach，1838－1916）
奥地利杰出的物理学家、心理学家和数学家，同时又是 一位伟大的哲学家。他促成了实证主义向逻辑经验主义的过
渡，形成了哲学史上著名的马赫主义哲学。
1855年马赫进维也纳大学学习物理和数学，于1860年获 得博士学位。以后他进行一系列物理学方面的实验研究，如 有关冲击波的研究。在心理学上他也取得了一些重大进展， 如“马赫带”的发现等。