空氣動力學(xué)基礎(chǔ)精編版

1、 Folie1 Folie1 空氣動力學(xué)基礎(chǔ)和飛行原理 緒論 Folie3 1、必須按時聽課，上課認(rèn)真聽講 2、堅持考勤制度，有事必須請假 3、對缺課1/3的同學(xué)不得參加考試 4、按時獨立完成作業(yè) 5、平時成績（作業(yè)和出勤）占20% 6、兩次測驗占20% 7、期末考試占60% 基本要求 Folie4 一、物質(zhì)形態(tài)與流體力學(xué)定義 二、空氣動力學(xué)的研究對象 三、空氣動力學(xué)的發(fā)展進程簡介 四、空氣動力學(xué)的分類 五、空氣動力學(xué)的研究方法 六、量綱與單位的概念 緒論 Folie5 物質(zhì)存在的三種狀態(tài)： 固態(tài)-相對應(yīng)的為固體 液態(tài)-相對應(yīng)的為液體 氣態(tài)-相對應(yīng)的為氣體 一一 、物質(zhì)形態(tài)與流體力學(xué)定義 由物

2、質(zhì)內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)、分子熱運動、分子之間的 作用力決定的。 Folie6 固體-具有固定的形狀和體積。 在靜止?fàn)顟B(tài)下，可以承受拉力、壓力和剪切力。 Folie7 液體-具有固定的體積，無固定的形狀。在靜止?fàn)?態(tài)下，只能承受壓力，幾乎不能承受拉力和剪切力。 Folie8 氣體-無固定的體積，也無固定的形狀。在靜止?fàn)?態(tài)下，只能承受壓力，幾乎不能承受拉力和剪切力。 Folie9 固體力學(xué)-研究固體處于平衡和機械運動規(guī)律及其應(yīng)用的 學(xué)科。 流體力學(xué)-研究流體處于平衡和機械運動規(guī)律及其應(yīng)用的 學(xué)科。 流體-液體和氣體的統(tǒng)稱（具有的特點是易流動性, 在靜止?fàn)顟B(tài)下不能承受剪力。） 力學(xué)-研究物體處于平衡和機械

3、運動規(guī)律及其應(yīng)用的 學(xué)科稱為力學(xué)。 Folie10 空氣動力學(xué)-研究空氣處于平衡和機械 運動規(guī)律及其應(yīng)用的學(xué)科。 空氣動力學(xué)是流體力學(xué)的一個分支，它 是從流體力學(xué)發(fā)展而來。空氣動力學(xué)是物理 學(xué)的一個分支。 Folie11 相對飛行原理（空氣動力學(xué)實驗原理） 當(dāng)飛機以速度v在平靜的空氣中飛行時，作用在飛機 上的空氣動力與遠(yuǎn)方空氣以速度v流過靜止不動的飛機時 所產(chǎn)生的空氣動力完全相同。 二、二、空氣動力學(xué)的研究對象 Folie12 相對飛行原理，為空氣動力學(xué)的研究提供 了便利。人們在實驗研究時，可以將飛行器模 型固定不動，人工制造直勻氣流流過模型，以 便觀察流動現(xiàn)象，測量模型受到的空氣動力， 進行

4、試驗空氣動力學(xué)研究。 Folie13 在理論上，對飛行器空氣繞流現(xiàn)象和受力情況進 行分析研究時，可用固接在飛行器上的觀察者所看到 的繞流圖畫進行研究，只要前方氣流速度V是常數(shù)，空 氣流過物體的繞流圖畫就不隨時間變化。 Folie14 風(fēng)洞風(fēng)洞 Folie13 X-48B翼身融合體飛機，來自美國宇航局和波音 公司鬼怪工程部共同合作研發(fā)的新一代翼身融合體飛 機，這種戰(zhàn)斗機更實用，能產(chǎn)生更大的升力、更小的 阻力，油耗更低，有望成為未來更節(jié)能、更安靜的飛 機的代表。 Folie15 機翼繞流流場機翼繞流流場 Folie15 機翼繞流流場機翼繞流流場 當(dāng)氣流迎面流過機翼的時候，機翼同氣流方向平 行，原來

5、是一股氣流，由于機翼的插入，被分成上下 兩股。在翼剖面前緣附近，氣流開始分為上、下兩股 的那一點的氣流速度為零，其靜壓值達(dá)到最大。這個 點在空氣動力學(xué)上稱為駐點。對于上下弧面不對稱的 翼剖面來說，這個駐點通常是在翼剖面的下表面。 Folie15 機翼繞流流場機翼繞流流場 在駐點處氣流分差后，上面的那股氣流不得不想 要繞過前緣，所以它需要以更快的速度流過上表面。 由于機翼上表面拱起，使上方部那股氣流的通道變窄， 機翼上方的氣流截面 要比機翼前方的氣流截面小， 流線比較密，所以機翼上方的氣流速度大于機翼前方 的氣流速度。 Folie15 機翼繞流流場機翼繞流流場 而機翼下方是平的，機翼下方的流線疏

6、密程度幾 乎沒有變化，所以機翼下方那個的氣流速度和機翼前 方基本相同。通過機翼以后，氣流在后緣又重新合成 一股。根據(jù)氣流連續(xù)性原理和伯努利定理可以得知， 機翼下表面受到向上的壓力比機翼上表面受到向下的 壓力要大，這個壓力差就是機翼產(chǎn)生的升力。 Folie17 亞音速情況下飛行的戰(zhàn)斗機 Folie15 音速是指聲音在空氣中傳播的速度。高度不同， 音速也就不同。在海平面，音速約為1225公里/小時。 在航空上，通常用M(即馬赫)來表示音速，M=1即為音 速的1倍；M=2即為音速的2倍。 Folie15 飛行器以馬赫數(shù)小于0.8的速度在大氣中的飛行 是亞音速飛行。 飛行器在作亞音速飛行時無激波產(chǎn) 生

7、，這時影響其空氣動力特性的主要因素是粘性和 氣流分離。亞音速飛機的最大飛行速度一般以臨界 馬赫數(shù)為限。 Folie18 跨音速情況下飛行的戰(zhàn)斗機 Folie15 當(dāng)飛機飛行速度接近音速時，周圍的流動態(tài)會發(fā) 生變化，出現(xiàn)激波或其它效應(yīng)，會使機身抖動，超音 速戰(zhàn)斗機突破音障瞬間、失控，甚至空中解體，并且 還可產(chǎn)生極大的阻力，使難以突破M=1的速度。人們 把這種現(xiàn)象稱之為音障。 Folie15 超音速飛機進行亞音速飛行時，除某些動作受到 性能限制外，主要是為了省油，并可用于起飛、爬升、 巡航、待機、下滑返航、著陸、編隊和某些特技飛行 等。 Folie18 跨音速情況下飛行的戰(zhàn)斗機 Folie18 跨

8、音速情況下飛行的戰(zhàn)斗機 Folie18 跨音速情況下飛行的戰(zhàn)斗機 1、公元前的認(rèn)識（浮力定理） 2、公元以后至17世紀(jì)的定性描述 3、17-20世紀(jì)理想流體力學(xué)的發(fā)展 4、19-20世紀(jì)粘性流體力學(xué)的發(fā)展 5、空氣動力學(xué)的發(fā)展 三三 、空氣動力學(xué)的發(fā)展進程簡介 在中國的春秋戰(zhàn)國時期（公元前770-221）,中國 先農(nóng)開始興建大型水利工程，包括灌溉工程、運河工 程和堤防工程。當(dāng)時比較大的灌溉工程有：芍陂(楚 相孫叔敖)、都江堰和鄭國渠。其中，芍陂和都江堰 歷經(jīng)兩千多年，至今仍再發(fā)揮作用。當(dāng)時對水流運動 特性已有足夠的認(rèn)識。 1、公元前的認(rèn)識（浮力定理） 芍坡芍坡 鄭國渠鄭國渠 都江堰都江堰 古希

9、臘學(xué)者，阿基米德在數(shù)學(xué)、物理學(xué)、天文學(xué)等方 面做出了重要貢獻(xiàn)。主要論著：論平板的平衡、論浮體； 阿基米德是整個歷史上最偉大的數(shù)學(xué)家之一，后人對 阿基米德給以極高的評價，常把他和牛頓、高斯并列為有 史以來三個貢獻(xiàn)最大的數(shù)學(xué)家。在流體力學(xué)方面，他發(fā)現(xiàn) 了水的浮力原理。 阿基米德簡介 阿基米德簡介 阿基米德的名著論浮體是公元前250年最早的 關(guān)于流體力學(xué)的著作。流體靜力學(xué)的基本原理（水的 浮力原理），即物體在液體中減輕的重量，等于排去 液體的重量，后來以“阿基米德原理”著稱于世，并 由此開創(chuàng)了流體靜力學(xué)的研究。 阿基米德簡介 阿基米德簡介 Eddas文學(xué)集紀(jì)錄了一 個源于五世紀(jì)北歐的古代神話 故事。

10、故事說的是有一個以制 造兵器為職業(yè)的鐵匠Wayland， 他制造了一套可以穿在身上的 飛行翅膀。 2、公元以后至17世紀(jì)的定性描述 根據(jù)傳說，Wayland制成他的第一套飛行翅膀后，就 開始同他的兄弟Egil一同進行實驗，也就是作一次試飛。 他兄弟問他，“我應(yīng)當(dāng)怎么辦呢？我在這方面一點也不 懂”。Wayland緩慢地強調(diào)說道：“頂著風(fēng)飛，你就容易 升高向上，以后，當(dāng)你下降的時候，要順著風(fēng)飛揚”。 Egil按照他的話穿好羽毛衣裳，并且立刻高飛在空中，迅 速得象鳥一樣。 李白： 大鵬一日同風(fēng)起，扶搖直上九萬里。 假令風(fēng)歇時下來，猶能簸卻滄溟水。 世人見我恒殊調(diào)，聞余大言皆冷笑。 宣父猶能畏后生，丈

11、夫未可輕年少。 他是一位名律師和農(nóng)家女子的私生子，小時侯雖然沒 有受過正式的教育，主要在家隨父親讀書自學(xué)，但從小勤 奮學(xué)習(xí)，才智過人，思維敏捷，很快在許多方面做出了令 人驚嘆的成績。 達(dá).芬奇:意大利文藝復(fù)興時期的科學(xué)和藝術(shù)全才 他是一位思想深邃，學(xué)識淵博，多才多藝的畫家、寓 言家、雕塑家、發(fā)明家、哲學(xué)家、音樂家、醫(yī)學(xué)家、生物 學(xué)家、地理學(xué)家、建筑工程師和軍事工程師。他是一位天 才，他一面熱心于藝術(shù)創(chuàng)和理論研究，研究如何用線條與 立體造型去表現(xiàn)形體的各種問題；另一方面他也同時研究 自然科學(xué)。 達(dá).芬奇:意大利文藝復(fù)興時期的科學(xué)和藝術(shù)全才 LeonardoDaVinci 3、17-20世紀(jì)理想流

12、體力學(xué)的發(fā)展 牛頓:英國著名的數(shù)學(xué)家和物理學(xué)家, 1686年完成 “自然哲學(xué)之?dāng)?shù)學(xué)原理”，提出了流體運動的內(nèi)摩擦定律。 牛頓是人類史上最偉大的天才：在數(shù)學(xué)上，發(fā)明了微 積分；在天文學(xué)上，發(fā)現(xiàn)了萬有引力定律，開辟了天文學(xué) 的新紀(jì)元；在力學(xué)上，總結(jié)了三大運動定律，建立了牛頓 力學(xué)體系；在光學(xué)上，發(fā)現(xiàn)太陽光的光譜，發(fā)明了反射式 望遠(yuǎn)鏡。 萊布尼茨:德國著名的哲學(xué)家和數(shù)學(xué)家,在許多領(lǐng)域做 出不同凡響的成就。 在數(shù)學(xué)方面最大的成就是發(fā)明了微積分，今天微積分 中使用的符號是萊布尼慈提出的。后來為了與牛頓爭發(fā)明 權(quán)問題，他們之間進行了一場著名的爭吵。萊布尼慈自定 發(fā)明權(quán)時間1674年，牛頓1665-1666

13、年。這場爭論使英國與 歐洲大陸之間數(shù)學(xué)交流中斷，嚴(yán)重影響了英國數(shù)學(xué)的發(fā)展。 微積分問世后，流體成為數(shù)學(xué)家們應(yīng)用微積分 的最佳領(lǐng)域。1738年伯努利出版了“流體力學(xué)” 一書，將微積分方法引進流體力學(xué)中，建立了分 析流體力學(xué)的理論體系，提出無粘流動流速和壓 強的關(guān)系式，即伯努利能量方程。 伯努利:瑞士物理學(xué)家、數(shù)學(xué)家、醫(yī)學(xué)家。 1700年2月8日生于荷蘭格羅寧根。著名的伯努利數(shù)學(xué) 家族中最杰出的一位。在25歲時就應(yīng)聘為圣彼得堡科學(xué)院 的數(shù)學(xué)院士。8年后回到瑞士的巴塞爾，先任解剖學(xué)教授， 后任動力學(xué)教授，1750年成為物理學(xué)教授。在17251749 年間，伯努利曾十次榮獲法國科學(xué)院的年度獎。 175

14、5年瑞士數(shù)學(xué)家歐拉建立了理想不可壓流體 運動的微分方程組（歐拉方程）。六年后，拉格 朗日引入流函數(shù)的概念，建立了理想流體無旋運 動所滿足的動力學(xué)條件，提出求解這類運動的復(fù) 位勢法。 歐拉:瑞士數(shù)學(xué)家.歐拉是世界史上最偉大的數(shù)學(xué) 家之一.他從19歲就開始著書，直到76歲高齡仍繼續(xù)寫 作.幾乎每個數(shù)學(xué)領(lǐng)域，都可以看到歐拉的名字.如初 等幾何的歐拉線、多面體的歐拉定理、立體解析幾何 的歐拉變換公式、四次方程的歐拉解法、數(shù)論中的歐 拉函數(shù)、微分方程的歐拉方程、級數(shù)論中歐拉常數(shù)、 變分學(xué)的歐拉方程、復(fù)變函數(shù)論歐拉公式等。 達(dá)朗貝爾:法國著名的物理學(xué)家、數(shù)學(xué)家和天文學(xué) 家，一生研究了大量課題，完成了涉及多

15、個科學(xué)領(lǐng)域 的論文和專著.1743年在動力學(xué)一書中，達(dá)朗貝爾 提出了達(dá)朗貝爾原理，把動力學(xué)問題轉(zhuǎn)化為靜力學(xué)問 題處理，還可以用平面靜力的方法分析剛體的平面運 動，這一原理使一些力學(xué)問題的分析簡單化，而且為 分析力學(xué)的創(chuàng)立打下了基礎(chǔ)。 1783年10月29日，這位為人們留下了無限光明的 科學(xué)巨星悄然遠(yuǎn)逝。這一天，偉大的達(dá)朗貝爾永遠(yuǎn)的 離開了世界，永遠(yuǎn)的離開了他為之奉獻(xiàn)終生的科學(xué)。 他的很多研究成果記載于宇宙體系的幾個要點研究 中。達(dá)朗貝爾生前為人類的進步與文明做出了巨大的 貢獻(xiàn)，也得到了許多榮譽。但在他臨終時，卻因教會 的阻撓沒有舉行任何形式的葬禮。 4、19-20世紀(jì)粘性流體力學(xué)的發(fā)展 19世

16、紀(jì)人們開始認(rèn)識粘性 流體動力學(xué)的基本問題。 1826年法國工程師納維將歐 拉流體運動方程加以推廣， 加入了粘性項，導(dǎo)出了粘性 流體運動方程。 4、19-20世紀(jì)粘性流體力學(xué)的發(fā)展 1845年愛爾蘭數(shù)學(xué)家斯托 克斯（18191903)在劍橋大學(xué) 從另外不同的出發(fā)點，也導(dǎo)出 了粘性流體運動方程。現(xiàn)在粘 性流體運動方程稱為納維-斯托 克斯方程或N-S方程。 4、19-20世紀(jì)粘性流體力學(xué)的發(fā)展 英國工程師兼物理學(xué)家雷諾 在1883年試驗粘性流體在小直徑 圓管流動時，發(fā)現(xiàn)實際流動有兩 種流態(tài)，分別稱為層流和湍流， 相應(yīng)的阻力規(guī)律也不同，決定流 態(tài)的是一個復(fù)合參數(shù)，該參數(shù)此 后被稱為雷諾數(shù)。 1904年

17、普朗特提出了邊界層理論。他認(rèn)識到雖然 所有的實際流體都是有粘性的，但，離開物體表面很 遠(yuǎn)的地方粘性力基本上不起作用，只在物面附近，一 層很薄的流體(稱邊界層)內(nèi)，粘性力才是重要的，才 是必須考慮的。這樣就可以把整個流動分成兩部分來 處理：遠(yuǎn)離物面的大部分地區(qū)可以用無粘的理論作計 算，而貼近物面的一層流體的流動需要作粘流計算。 普朗特:1875年2月4日出生于德國。從小對物理學(xué)、 機械和儀器特別感興趣。1904年普朗特在德國海德爾 堡第三次國際數(shù)學(xué)年會上發(fā)表了著名的關(guān)于邊界層概 念的論文，從此普朗特成為流體力學(xué)界的知名學(xué)者。 普朗特畢生在流體力學(xué)和空氣動力學(xué)中的貢獻(xiàn)是 令人矚目的，被認(rèn)為是現(xiàn)代流

18、體力學(xué)和空氣動力學(xué)之 父。 5、空氣動力學(xué)的發(fā)展 20世紀(jì)2030年代，空氣動力學(xué)的理論和實驗 得到迅速發(fā)展，所建造的許多低速風(fēng)洞，對各種 飛行器研制進行了大量的實驗，從而很大程度上 改進了飛機的氣動外形，實現(xiàn)了飛機動力增加不 大的情況下，使飛機的飛行速度從50m/s增大到 170m/s。 5、空氣動力學(xué)的發(fā)展 20世紀(jì)創(chuàng)建了空氣動力學(xué)完整的科學(xué)體系，并得到 了蓬勃的發(fā)展。美國萊特兄弟是兩個既有實踐經(jīng)驗又有 理論知識，且富有想象力和遠(yuǎn)見的工程師，1903年12月 27日，奧維爾萊特駕駛他們設(shè)計制造“飛行者一號”首 次試飛成功，這是人類歷史上第一架有動力、載人、持 續(xù)、穩(wěn)定、可操縱的飛行器。從此

19、開創(chuàng)了飛行的新紀(jì)元。 其后，飛機的發(fā)展推動了空氣動力學(xué)的迅速發(fā)展。 5、空氣動力學(xué)的發(fā)展 5、空氣動力學(xué)的發(fā)展 20世紀(jì)3040年代，建造了一批超音速風(fēng)洞， 使飛機在40年代末突破了“音障”，50年代隨后突 破了“熱障”，實現(xiàn)了超音速飛行和人造衛(wèi)星。 20世紀(jì)50年代以后，電子計算機的出現(xiàn)，使計 算空氣動力學(xué)得到迅速的發(fā)展，理論、實驗、計算 成為飛行器設(shè)計必不可少的途徑。 儒可夫斯基:俄國數(shù)學(xué)家和空氣動力學(xué)家，科學(xué)院 院士。1886年起歷任莫斯科大學(xué)和莫斯科高等技術(shù)學(xué) 校教授，直至1921去世，一直在這兩所學(xué)校工作。 他一生有170多部著作，其中60多部是論述空氣動 力學(xué)和飛行器的，是實驗和理

20、論空氣動力學(xué)的創(chuàng)始人。 1902年創(chuàng)建了莫斯科大學(xué)空氣動力學(xué)實驗室。 馮.卡門:超聲速時代之父，美國空軍科技奠基石， 現(xiàn)代空氣動力學(xué)家。1908在德國哥廷根大學(xué)獲得博士 學(xué)位，師從普朗特教授。1926年移居美國，負(fù)責(zé)加州 理工大學(xué)風(fēng)洞設(shè)計工作，提出卡門渦街理論；1935年， 提出超聲速阻力原則；1938年提出邊界層控制理論； 1941年提出高速飛行機翼壓力分布公式。我國學(xué)者錢 學(xué)森師從馮.卡門教授。 波音767 “鵜鶘”大型地效飛機 新一代超音速客機 F22戰(zhàn)斗機 四四 空氣動力學(xué)的分類 飛行器 空氣動力學(xué) 房屋、坑道通風(fēng) 高層建筑的風(fēng)壓 汽車、高速列車的阻力 工業(yè) 空氣動力學(xué) 飛行器在大氣中

21、飛行時 的空氣動力學(xué)問題 鼓風(fēng)機、渦輪機、風(fēng)力發(fā) 電機的氣動力問題 空氣動力學(xué) 低速空氣動力學(xué) 亞音速空氣動力學(xué) 跨音速空氣動力學(xué) 超音速空氣動力學(xué) 高速空氣動力學(xué) 空氣動力學(xué) 五五 空氣動力學(xué)的研究方法 實驗研究的主要設(shè)備有風(fēng)洞、水洞、激波管和測 試儀器。此外還有自由飛實驗和高速軌道車等實驗辦 法。 理論研究運用基本的概念、定律和數(shù)學(xué)工具，抓 住問題的主要作用因素，采用某種抽象出來的模型， 作定量的分析，從而獲得規(guī)律和結(jié)果。 五五 空氣動力學(xué)的研究方法 數(shù)值計算通過有效的計算方法（有限基本解法、 有限差分法、有限元素法等）利用計算機對實際流動 的問題進行數(shù)值模擬。 實驗研究、理論分析和數(shù)值計算三種方法各有利 弊，相輔相成，互相促進。 五五 空氣動力學(xué)的研究方法 1、基本概念 物理量簡稱量，表示定性區(qū)分和定量確定現(xiàn) 象和物質(zhì)的一種屬性 在力學(xué)系統(tǒng)中，只有三個量是獨立的，稱為基本 物理量，其它物理量是導(dǎo)出物理量（可根據(jù)定義、規(guī) 律、關(guān)系） 在國際單位制中，人們約定長度L，質(zhì)量M，時間T