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1、空气动力学基础 教材： 1. 钱翼稷编著 空气动力学 2. 陈再新等编著 空气动力学 主讲：航空科学与工程学院 张 华 教授 电话： 13011033580 E-mail: L,空气动力学 I,学习本课的几点要求 认真听讲，适当笔记-空气动力学绝不是一门仅仅依靠自学和期末的几周突击就能学好的课程（提供课件）； 积极思考，及时消化-空气动力学概念多、方法新、公式多和大，但都具有明确的物理意义和实际的工程应用背景，需要紧密结合物理含义、运用数理基础和力学知识，认真消化吸收，完全能够很好掌握； 回答随机提问；注意章末重点；必要时做简单测验；及时进行答疑；认真完成作业；旷课将会扣分。,绪论,三、空气动
2、力学的发展进程简介,四、空气动力学的分类与研究方法,二、空气动力学的研究对象,一、几个基本的空气动力学问题,一、几个基本的空气动力学问题,人类的祖先在海洋里生活了40亿年。,人类在空气里也生活了700万年。,虽然生活在流体环境中，人们对一些流体运动现象却缺乏认识，比如：,高尔夫球运动起源于15世纪的苏格兰。,起初，人们认为表面光滑的球飞行阻力小，因此当时用皮革制球。,最早的高尔夫球（皮革已龟裂）,后来发现表面有很多划痕的旧球反而飞得更远。,这个谜直到20世纪建立流体力学边界层理论后才解开。,后来发现表面有很多划痕的旧球反而飞得更远。,这个谜直到20世纪建立流体力学边界层理论后才解开。,光滑的球
3、,表面有凹坑的球,现在的高尔夫球表面有许多窝，在同样大小和重量下，飞行距离为光滑球的5倍。,汽车阻力 汽车发明于19世纪末。,当时人们认为汽车高速前进时的阻力主要来自车前部对空气的撞击。,因此早期的汽车后部是陡峭的，称为箱型车，阻力系数CD很大，约为0.8。,实际上，汽车阻力主要取决于后部形成的尾流。,20世纪30年代起，人们开始运用流体力学原理，改进了汽车的尾部形状，出现了甲壳虫型，阻力系数下降至0.6。,5060年代又改进为船型，阻力系数为0.45。,80年代经风洞实验系统研究后，进一步改进为鱼型，阻力系数为0.3。,后来又出现楔型，阻力系数为0.2。,20世纪90年代以后，科研人员研制开
4、发了气动性能更优良的未来型汽车，阻力系数仅为0.137。,经过近百年的研究和改进，汽车阻力系数从0.8降至0.137，减少到原来的1/5。,目前在汽车外形设计中，流体力学性能研究已占主导地位，合理的外形使汽车具有更好的动力学性能和更低的耗油率。,机翼升力 人们的直观印象是空气从下面冲击着鸟的翅膀，把鸟托在空中。,19世纪初流体力学环量理论彻底改变了人们的传统观念。,脱体涡量与机翼环量大小相等方向相反,足球运动的香蕉球现象可以帮助理解环量理论：,旋转的球带动空气形成环流，一侧气流加速，另一侧减速，形成压差力，使足球拐弯，称为马格努斯效应。,机翼的特殊形状使它不用旋转就能产生环量，上部流速加快形成
5、吸力，下部流速减慢形成压力。,测量和计算表明上部吸力的贡献比下部要大。,NACA2412翼型在7.4度攻角时的压强分布,人们之所以不能凭直觉来认识流体运动，是因为,空气看不见摸不着,水无色透明,肉眼难以观察,流动形态变化太快,肉眼无法辨认,用特殊的技术可以让流动图像显现出来：,高尔夫球和汽车的阻力同尾部漩涡流有关，用圆柱绕流流场显示和数值模拟技术可观察尾流图像。,高尔夫球和汽车的阻力同尾部漩涡流有关，用圆柱绕流流场显示和数值模拟可观察尾流图像。,机翼升力也与后部的漩涡有关，同样可以用流场显示技术来观察。,工程和生活中还有许多类似的流体力学基本现象和基本问题 例如：自行车运动员为什么要戴一个圆头
6、尖尾的帽子？能否反过来戴成尖头圆尾，或做成尖头尖尾？,再例如：大雁为什么会排成“人”字或“一”字飞行？,再例如：为什么空气阻力是汽车速度的最终限制？为什么汽车和飞机作高速运行时，我们在功率（燃料消耗）上必须付出与速度增加不成比例的超乎想象的高代价？,再例如：为什么超音速喷气飞机尾喷管、导弹发射以及火箭发射的尾喷管处都会出现“大辫子”状的喷流？,往往许多看似简单的现象有可能使人产生似是而非甚至错误的结论，但其中却包含了深刻的流体力学道理，许多现象是我们凭直觉不能正确认识的。,在应用更广泛的流体力学范畴中，我们还可看到或提出许多类似的与运动和受力相关的问题，例如：微生物在水银中和在酒精中运动时，谁
7、的阻力大？ 事实上微生物在水银中游动与在酒精中游动时受到的阻力几乎相等不受二者密度的巨大差别影响，为什么？,再例如：为什么海洋中体形大的生物（鲸 ）姿态幽雅、动作轻松、迁徙距离遥远？,而体形越小的生物则游动越笨拙、速度和运动都局限在一个很小范围？,流体力学和空气动力学是研究和解决有关问题的基本工具。,空气动力学是流体力学的一个分支，它是从流体力学发展而来。,空气动力学是物理学的一个分支。,空气动力学是研究物体和空气作相对运动时，空气的运动规律以及空气与物体之间作用力规律的学科。,二、空气动力学的研究对象,相对性原理,当飞行器以某一速度在静止空气中运动时，飞行器与空气的相对运动规律和相互作用力，
8、与飞行器固定不动而让空气以同样大小和相反方向的速度流过飞行器的情况是等效的。,相对性原理给空气动力学的研究提供了方便 可以将飞行器模型固定不动，人工制造直匀气流（风洞）流过物体，以便观察流动现象，测量模型受到的力，进行试验空气动力学研究。,风洞测力实验,风洞流动显示,在理论上对物体的绕流现象和受力情况进行分析研究时，可以用“物体不动气流运动”代替“气流不动物体运动”的情况，只要远前方气流速度V是常数，一定迎角下空气流过机翼的相对流动图画就不随时间变化。这种观察方法往往比在地面观察飞机对流体的扰动要更加直观方便。,风洞中的观察与机翼上的观察相同：空气质点走过图示轨迹,地面的观察：运动机翼使原本静
9、止空气中的质点走过图示轨迹,阿基米德（Archimedes, 287-212 B.C.希腊）,古希腊伟大的数学家、力学家，公元前300年发现浮力定律。 后人对阿基米德给以极高的评价，常把他和牛顿、高斯并列为有史以来三个贡献最大的数学家。 阿基米德发现浮力定律之后的一千多年，流体力学几乎没有任何重大进展。,空气动力学是由流体力学发展而来的,三、空气动力学的发展进程简介,18世纪，随着牛顿运动定理和微积分方法的建立，流体力学和空气动力学才逐步迈入理性研究和持续发展阶段。,牛顿（Isaac Newton,1642-1727 英国）,一批著名数学家建立了描述无粘性流体运动的理论流体力学。,欧拉（L.E
10、uler, 1707-1783,瑞士）,伯努利（D.Bernouli 17001782，瑞士）,达朗贝尔（J.dAlembert，17171783，法国）,一批著名数学家建立了描述无粘性流体运动的理论流体力学。,拉格朗日（J-.Lagrange，17361813，意大利),拉普拉斯（P-S.Laplace，17491827，法国）,19世纪末，理论与实验流体力学开始结合，此期间的重大进展还有：,雷诺（O.Reynolds，18421912，爱尔兰） 发现了两种流动状态。,瑞利（J.Rayleigh， 18421919，英国） 建议采用量纲分析法。,19世纪是流体动力学的基础理论全面发展的阶段，
11、法国工程师纳维（L.Navier）和爱尔兰数学家斯托克斯（G.Stokes）建立了粘性流体运动方程。,（17851836， L.Navier 法国）,（18191903， G.Stokes 英国）,现代意义上的流体力学形成于20世纪初，以德国科学家普朗特（L.Prandtl，18751953）创立的边界层理论为标志。,普朗特（L.Prandtl， 18751953，德国）,平板边界层,普朗特开创了边界层理论和有限翼展升力线理论，被称为近代流体力学和空气动力学的奠基人。,同一时代的重量级人物还包括卡门、泰勒等众多科学家,卡门（V.Karman，18811963，美国）,泰勒（G.Taylor，1
12、8861975，英国）,1906年俄国数学家和空气动力学家儒可夫斯基引入了环量的概念，发表了著名的升力定理，奠定了二维机翼理论的基础。,儒可夫斯基（Joukowski，18471921）,以周培源、钱学森为代表的中国科学家在湍流理论、 空气动力学等许多领域中作出了基础性、开创性的贡献。,周培源（19021993）,钱学森（19112009）,20世纪创建了空气动力学完整的科学体系，并得到了蓬勃的发展，同时极大的推动了代表最高人类科技水平的航空航天事业发展 1903年12月27日，莱特兄弟驾驶他们设计制造“飞行者一号”首次试飞成功，这是人类历史上第一架有动力、载人、持续、稳定、可操纵的飞行器。从
13、此开创了飞行的新纪元。其后，飞机的发展反过来又推动了空气动力学的迅速发展,Wilbur Wright （18671912）,Oville Wright（18711948）,流体力学与空气动力学是众多应用科学和工程技术的基础。,由于空气动力学的发展，人类研制出3倍声速的战斗机、超音速的民航客机和载客达550人以上的超大型民航客机。,使重量超过3百吨，面积达半个足球场的大型民航客机，靠空气的支托像鸟一样飞行成为可能，创造了人类技术史上的奇迹。,利用超高速气体动力学，物理化学流体力学和稀薄气体力学的研究成果，人类制造出航天飞机，建立太空站，实现了人类登月的梦想。,空气动力学的分类 按研究对象来分类：
14、,空气动力学,飞行器空气动力学,工业空气动力学,鼓风机、涡轮机、风力发电机的气动力问题,房屋、坑道通风、高层建筑的风压,汽车、高速列车的阻力,飞行器在大气中飞行时的空气动力学问题,四、空气动力学的分类与研究方法,空气动力学,低速空气动力学,亚音速空气动力学,跨音速空气动力学,超音速空气动力学,高速空气动力学,按空气介质的运动速度来分类：,空气动力学的研究方法,理论分析 过程一般是：建立力学模型，用物理学基本定律推导流体力学或空气动力学控制方程，用数学方法求解方程，检验和解释求解结果。,建立模型,推导方程,求解方程,解释结果,目前空气动力学理论研究主攻方向是：湍流，流动稳定性，涡运动，复杂流动等
15、。,湍斑,泰勒涡,机翼涡系,目前空气动力学理论研究主攻方向是：湍流，流动稳定性，涡运动，复杂流动等。,实验方法 在相似理论指导下，建立模拟实验装置，用流体测量技术测量流动参数，处理分析数据可获得反映流动规律的特定关系，发现新现象，检验理论结果。,相似理论,模型试验,测量,数据分析,风洞及水洞实验在飞行器空气动力学、汽车空气动力学、舰船流体力学、建筑物空气动力学等研究中发挥了重要作用,水洞实验在流动显示方面体现出特殊的作用,我校自行研制的亚洲最大水洞 与某客机尾流研究,测量技术有：热线，激光测速；粒子图象，迹线测速；高速摄影；全息照相；压力密度温度测量等。,激波条纹,现代测量技术在计算机，光学和
16、图象技术配合下在提高空间分辨率和实时测量方面已取得长足进展。,数值分析方法 随着技算机技术的突飞猛进，过去无法求解的流体力学偏微分方程可以用计算机数值方法求解。,计算流体力学,有限差分法,有限元法,边界元法,谱分析等,如飞行器、汽车、河道、桥梁、涡轮机流场计算；湍流、流动稳定性、非线性流动中的数值模拟；大型工程计算软件是研究工程流动问题的有力武器。,计算网格,流体力学和空气动力学在推动社会发展和人类文明进步方面做出过重大贡献，没有流体力学和空气动力学的发展，现代工业和高新技术的发展是不可能的 随着科技的不断进步，流体力学与空气动力学已经向其他相关学科渗透，形成了诸多交叉学科，流体力学与空气动力学是基础 流体力学与空气动力学今后仍将在科学与技术的各个领域发挥更大的作用，学好流体力学和空气动力学将为进一步学习深入理论、解决流体力学工程问题特别是航空航天重大技术问题打下坚实的基础,
