空气动力学详细版
(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。
风力机空气动力学知识-64帧课件.ppt
5.风轮转速 当风力机额定功率和风轮直径确定后，增加风轮转速，可 以减小风轮转矩，即减少作用在风力机传动系统上的载荷和 降低齿轮箱的增速比。风轮转速增加后，在额定风速相同 时，叶片的弦长可以减小，使叶片挥舞力矩的脉动值减小， 有利于叶片的疲劳特性和机舱塔架的结构设计。
6.塔架高度 塔架高度是风力机设计时要考虑的一个重要参数。一般， H/D=0.8~1.2。
3.2风力机空气动力设计参数
1.叶片数 水平轴风力发电机组的风轮叶片一般是2片或3片，其中3 片占多数。 当风轮直径和风轮旋转速度相同时，对刚性轮毂来说，作 用在两叶片风轮的脉动载荷要大于三叶片风轮。另外，实际 运行时，两叶片风轮的旋转速度要大于三叶片风轮，因此， 在相同风轮直径时，由于作用在风轮上的脉动载荷引起的风 轮轴向力（推力）的周期变化要大一些。
力特性。当雷诺数较小时，前缘分离气泡的存在、发展 和破裂对雷诺数非常敏感；当雷诺数较大时，翼型最大 升力系数也相应增大。
3.4风力机叶片气动外形设计
风力机叶片气动外形设计的任务是根据风力机总体设计技 术指标，确定风力机叶片的几何外形，包括叶片扭角、弦长 和相对厚度沿展向的分布。对于变桨距叶片还要给出桨距中 心位置和桨距角随风速变化的规律。
在迎角不大时，前缘就发生层流分离，然后转捩为湍流后 再附着于翼型表面，在分离点与再附着点之间形成气泡，随 着迎角的增加，向后缘迅速扩展，到一定迎角时，变成完全 分离。
图3-2给出了翼型在不同分离形式时的升力特性。前缘分 离、后缘分离、薄翼分离如图所示。
需要指出的是：翼型边界层的分离一旦引起翼型失速后， 即使马上回复到失速前的迎角，翼型边界层也不会马山再 附，恢复到分离前的流动状态，这种现象称为流动迟滞现象。
根据风力机性能的需要，风力机翼型一般应要求在分离区 内有稳定的最大升力系数，有很大的升阻比，表面粗糙度对 翼型空气动力特性影响小等特性。
空气动力学简介
第一章空气动力学简介第1节流体流动的基本概念和基本规律1.1 流体流动的基本概念1.1.1 相对运动原理作用在飞机上的空气动力取决于飞机和空气之间的相对运动情况，而与观察、研究时所选用的参考坐标无关。
也就是说，飞机以速度V在平静的空气中飞行时，作用在飞机上的空气动力与远方空气以速度V流过静止不动的飞机时所产生的空气动力完全相同。
这就是相对运动原理在空气动力学中的应用。
空气相对飞机的运动称为相对气流，相对气流的方向与飞机运动的方向相反，见图1-1。
只要相对气流速度相同，产生的空气动力也就相等。
将飞机的飞行转换为空气的流动，使空气动力问题的研究大大简化。
风洞实验就是根据这个原理建立起来的。
图1-1 飞机的运动方向与相对气流的方向1.1.2 连续性假设连续性假设是在进行空气动力学研究时，将大量的、单个分子组成的大气看成是连续的介质。
所谓连续介质就是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。
对大气采用连续性假设的理由是与所研究的对象—飞机相比，空气分子的平均自由行程要比飞机的尺寸小得多。
空气流过飞机表面时，与飞机之间产生的相互作用不是单个分子所为，而是无数分子共同作用的结果。
1.1.3 流场、定常流和非定常流流体流动所占据的空间称为流场。
在流场中的任何一点处，如果流体微团流过时的流动参数，速度、压力、温度、密度等随时间变化，这种流动就称为非定常流，这种流场被称为非定常流场。
反之，如果流体微团流过时的流动参数，速度、压力、温度、密度等不随时间变化，这种流动就称为定常流，这种流场被称为定常流场。
1.1.4 流线、流线谱、流管和流量流线是在流场中用来描绘流体微团流动状态的曲线。
在流线每一点上，曲线的切线方向正是流体微团流过该点时流动速度的方向。
在流场中，用流线组成的描绘流体微团流动情况的图画称为流线谱。
图1-2就是描绘气流流过翼型的流线谱。
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）
第二章 空气动力学基本原理
Re V d
104 ～105 104 ～105 104 ～105 104 ～105 104 ～105 103 ～105
CD D
1 2
2 V A
0.47 0.42 1.17 1.05 0.80 1.20
矩 形 板(长/宽=5)
§2－4 附面层及其分离现象
一、附面层 的概念 定义：粘性 流体绕流物 体时在壁面 附近速度急 剧变化的薄 层。
如图2－4 机翼 和平板上的附 面层
2、 特点 （1）内部旋涡强度大惯性力和粘性力具有 同样的数量级为粘性流体的有旋流动 （2）外部旋涡强度小，惯性力大于大于粘 性力，为理想流体的无旋流动。 （3） 厚度很小 。 （4）在同一截面上压强相等
圆 柱
Re V d
104 ～ 105 4 ×104 4 ×104
CD D
1 2
2 V A
1.2 1.2 2.3
半 半 方 平
管 管 柱 板
3.5×104 104×106
2:1
2.0 1.98
0.46 0.20
椭
椭
柱
柱
1×105
8:1
2 ×105
三元物型
球 半 半 方 方 球 球 块 块 宽
3、层流附面层和紊流附面层
判别准则
Re Vx
x──驻点到转捩点的距离 ν──运动粘度
Rec ─── 临界雷诺数
V ──边界上的速度
在平板上 5×105～3×106
二、分离现象分析
当粘性流体流过曲面物体时要发生分离现 象如图2－5 1、M点之前 2、M点 3、S点－分离点 4、S—T间断面 5、旋涡区─压差阻力 6、汽车上的情况。
空气动力学基本概念
空气动力学的新技术和新方法
计算流体动力学（CFD）：利用计算机 模拟空气流动预测飞行器的性能和设计 优化。
实验空气动力学：通过风洞实验和飞行 测试等手段研究空气动力学的基本原理 和应用。
空气动力学与人工智能的结合：利用人 工智能技术对空气动力学数据进行处理 和分析提高预测精度和优化设计。
空气动力学与其他学科的交叉：例如与 生物学、化学和材料科学等学科的交叉 开拓新的应用领域和研究方向。
交通运输：汽车、 高速列车和船舶 的设计中空气动 力学被用来优化 其空气阻力、升 力和稳定性。
建筑：建筑设计 中的通风（通风） 和 wind（风）抵 抗能力要考虑空 气动力学例如体 育馆和高层建筑 的顶部设计。
能源：风力发电 机的设计和优化 需要用到空气动 力学的知识以提 高能源转换效率。
空气动力学的未 来发展
节能减排技术：利用空气动力学原理开发节能减排技术提高能源利用效率减少温室气体排放。
未来空气动力学的挑战和机遇
挑战：随着科技的发展空气动力学面临新的挑战如高超声速飞行、微型飞行器等
机遇：随着环保意识的提高空气动力学在节能减排、绿色出行等领域有广阔的应用前景 创新：未来空气动力学的发展需要不断创新探索新的理论和技术以应对各种挑战和机遇
跨学科合作：空气动力学的发展需要与多个学科进行交叉合作如物理、化学、生物等
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汇报人：
空气动力学在新能源领域的应用前景
空气动力学在新 能源领域的应用： 利用空气动力学 原理优化新能源 车辆的设计提高 其能效和行驶稳
定性。
未来发展趋势：随 着新能源技术的不 断发展空气动力学 在新能源领域的应 用将更加广泛为新 能源车辆的节能减 排提供更多可能性。
潜在应用领域：空 气动力学在新能源 船舶、新能源航空 等领域也有着广阔 的应用前景为未来 的绿色交通发展提
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1滚转收敛模态：运动表现形式：近似单纯的绕纵轴的单调衰减很快的滚转运动。
产生原因：飞机绕纵轴的转动惯量较小，滚转阻尼力矩较大。
一般飞机都能满足此模态的要求。
特性：飞机滚转角和滚转角速度迅速变化，侧滑角和偏航角的变化很小。
2螺旋模态：运动形式：一旦飞机受到扰动发生滚转和侧滑，便产生机身向一侧倾斜，机头下沉并不断对准来流，飞机沿螺旋线航迹盘旋下降，形成螺旋发散运动。
产生原因：飞机的方向静稳定性过大。
特性：侧滑角近似为零、偏航角大于滚转角。
略带滚转、侧滑角近似为零的偏航运动。
在螺旋模态运动中，各种运动参数变化比较缓慢，驾驶员有足够时间进行纠正,对飞行安全无重大危害。
解决办法：适当搭配方向和侧向的静稳定性。
3荷兰滚模态：运动形式：振幅逐渐增大的侧向-航向组合振荡运动。
产生原因：飞机的侧向静稳定性过大。
特性：振荡频率较高、周期较短（周期为几秒量级）和振幅逐渐增大的侧向-航向组合振荡。
驾驶员难于控制直接影响飞行安全。
飞机的侧滑角、滚转角和偏航角的量级相同。
滚转和偏航运动的速度较小。
CCAR-25 部规定：任何横向-航向组合振荡，在操纵松浮情况下，都必须受到正阻尼。
解决办法：适当搭配侧向和方向静稳定性、对高空飞行的飞机采用偏航阻尼器。
4副翼失效和反逆：原因：由于机翼扭转变形过大，使副翼失效或使飞机产生与操纵要求相反的滚转运动。
.副翼反逆临界速度：当发生副翼失效时的飞机飞行速度。
一般要求飞机的最大允许速度比该临界速度低100km/h。
提高副翼反逆临界速度的措施：提高机翼的抗扭刚度。
采用混合副翼（内副翼和外副翼）。
5飞机横侧向扰动运动中作用在飞机上的力矩：横侧向静稳定力矩：因横侧向扰动产生的侧滑引起的恢复力矩（滚转、偏航）。
它企图使飞机恢复原有姿态。
气动阻尼力矩：飞机在扰动运动中，因为滚转和偏航角速度引起机翼和垂尾上气动力变化产生的阻止飞机转动的力矩。
由滚转角速度引起的阻尼力矩中，机翼起主要作用。
由偏航角速度引起的阻尼力矩中，垂尾起主要作用。
足够大的阻尼力矩是保证动稳定性的充分条件。
.惯性力矩：由于飞机的转动惯量在飞机横侧向扰动运动中产生的维持继续转动的力矩。
它企图使飞机不停地摆动。
交叉力矩：由滚转运动产生的偏航力矩和由偏航运动产生的滚转力矩。
它们与相对应的静稳定力距方向相反。
由于交叉力矩的影响，要求飞机的方向静稳定力矩与侧向静稳定力矩要适当匹配，以避免发生…螺旋‟或…荷兰滚‟现象。
6飞机侧向静稳定性：当飞机受到扰动，并使飞机绕机体纵轴（x轴）转动产生滚转角时;当扰动消失后，在驾驶员不操纵的情况下，飞机有自动从侧滑中抬起下沉机翼的趋势。
飞机侧向静稳定的条件：飞机因滚转角引起侧滑时产生的滚转力矩，与飞机滚转的方向相反。
7涡流发生器：1、功用：装于高亜音速和跨音速飞机的机翼上翼面上，延缓气流分离和提高安装于机翼后缘舵面的操纵效率。
2、工作原理：涡流发生器是一排沿翼展方向、垂直于翼面安装的很短的翼型片，位于副翼（或方向舵）的前方。
当气流流过这些垂直固定的“小翼”时，会在其顶部产生涡流。
涡流使外部高速气流卷入原来较厚的附面层内，从而使附面层减薄、沿翼型近表面的气流流速加快，达到延缓气流分离的作用。
8提高临界马赫数的措施：小展弦比机翼：小展弦比可以使翼型的弦长加长，展长缩短，相对厚度减小，使气流在翼型表面加速缓慢，从而提高临界马赫数。
翼展缩短，激波缩短，波阻变小。
不足：低速飞行时诱导阻力大。
提高临界马赫数的措施：层流翼型：较小的前缘半径、翼型薄并扁平，上翼面气流加速缓慢、压力分布比较平坦降低了翼面最高点的局部速度。
主要用于高亜音速飞机。
超临界翼型：较大的前缘半径、上翼面比较平坦后部略向下弯。
上翼面气流加速更加缓慢。
即使出现局部激波则强度也弱并且靠后，避免诱导激波分离，具有好的跨音速特性。
主要用于跨音速飞机。
更薄翼型：斜激波角度小，有利于减小波阻。
主要用于超音速飞机。
提高临界马赫数的措施后掠机翼：机翼的后掠角为x，则流过翼型的有效速度（垂直于机翼前缘或1/4弦线的气流速度）v = V·cosx。
式中V—飞机迎面气流相对速度。
故提高了飞机的临界马赫数。
从高亜音速到超音速飞机，速度愈高采用的后掠角愈大。
10压力中心：作用在飞机上的总空气动力的作用线与飞机纵轴的交点。
在攻角不大的情况下，常近似地把总升力在纵轴上的作用点作为全机的压力中心。
在一定迎角范围内，压力中心位置随迎角的增大而前移。
11焦点（空气动力中心）：升力增量（迎角变化量引起的升力变化量）作用点。
焦点位置不随攻角改变，飞机从亚音速进入超音速时焦点位置将后移。
12诱导阻力：诱导阻力是伴随着机翼上的升力产生而产生的一种升力面上特有的阻力。
升力愈大（迎角增大），诱导阻力愈大。
它是机翼翼尖涡流和机翼上翼面气流流过翼型后部产生下洗速度，使相对气流产生下洗角，总气动力向后倾斜而造成的。
为减小下洗的影响，可采取大的展弦比、椭园形或梯形机翼及增设翼尖小翼等措施。
影响升力的因素:机翼面积空气密度飞行速度升力系数。
机翼面积：飞机的升力与机翼面积成正比。
空气密度：随着高度的增加和温度的升高都会使空气密度变小。
温度和飞行高度愈高其密度愈小导致升力减小，只有高速飞机才适于高空飞行，高原机场和高的场温不利于飞机起飞。
飞行速度（相对气流的速度）：其它条件不变时，升力与速度的平方成正比。
当飞机有偏航角速度时，由于左右机翼的相对气流速度不同，会使飞机产生滚转力矩。