第二章 空气动力学基本原理
空气动力学原理
空气动力学原理空气动力学是一门研究物体在空气中运动的力学分支，它涵盖了空气流动的基本原理、空气动力性能的测量、空气动力学模型的建立以及空气流体的结构和动力特性。
空气动力学的基本原理是气动力学定律，即描述了空气在物体表面及其周围流动形式及受力情况的定律。
气动力学定律包括拉普拉斯定律和减重定律。
拉普拉斯定律是指空气流体在物体表面的压力和速度的变化规律，减重定律指的是空气流体在物体表面的阻力与相对速度和尺寸的变化规律。
空气动力学的测量方法，主要是气动试验，包括气动实验、气动模拟试验和数值模拟实验。
气动实验是指在真实环境中测量空气动力性能，如飞机受力测试、翼型受力试验等；气动模拟实验是在模型实验室中模拟物体在真实环境中的运动，如模型飞机受力测试、模型翼型受力试验等；数值模拟实验是在计算机上模拟物体在真实环境中的运动，如计算机仿真试验等。
空气动力学的建模和分析是指基于空气动力学的基本原理，利用数学方法建立空气动力学模型，以及利用模型分析和预测空气动力学性能的过程。
空气动力学模型一般分为两类：静力学模型和动力学模型。
静力学模型是指建立物体在静止状态时的空气动力学性能模型，如飞机抗风阻力模型；动力学模型是指建立物体在运动状态时的空气动力学性能模型，如飞机运动模型等。
空气动力学的结构特性和动力特性是指空气流体的结构和特性，如流场性质、压力场特性、动能场特性等。
空气动力学的结构特性可以用空气动力学的基本原理来分析，而空气动力学的动力特性可以用气动实验、气动模拟实验和数值模拟实验来测量。
空气动力学是一门研究物体在空气中运动的力学分支，通过气动力学的基本原理、气动实验、气动模拟实验和数值模拟实验，空气动力学可以用来研究物体在空气中的运动，测量物体的空气动力性能，以及分析和预测空气动力学的结构和动力特性。
空气动力学工作原理
空气动力学工作原理空气动力学是研究飞行器在空气中运动的科学，主要涉及气流力学、机翼气动力学、飞行器升力和阻力等问题。
了解和应用空气动力学原理对于飞行器的设计、控制和性能优化至关重要。
本文将详细介绍空气动力学的工作原理。
一、气流力学气流力学是空气动力学的基础，研究空气在运动中的物理特性。
空气由于受到各种力的作用，会形成各种气流现象，如湍流、层流、颠簸等。
气流力学研究了空气的流体力学性质，包括速度、密度、黏性等，这些因素直接影响飞行器在空气中的运动。
二、机翼气动力学机翼气动力学是空气动力学中的重要分支，研究了机翼在飞行过程中所受到的气动力。
机翼的形状、面积和角度等因素会影响气流对机翼的影响，进而影响到飞行器的升力和阻力。
为了减小阻力、增加升力，机翼的设计需要考虑气动力学原理，采用合理的机翼翼型和控制面。
三、升力和阻力升力和阻力是飞行器在运动中的两个关键力。
升力使得飞行器能够克服重力，并产生向上的浮力。
阻力是飞行器在空气中运动时受到的阻碍力，直接影响飞行器的速度和能耗。
通过调整机翼的形状和角度，可以改变升力和阻力的大小，实现飞行器的稳定飞行。
四、空气动力学模拟空气动力学模拟是利用计算机技术对飞行器在空气中的运动进行数值模拟和分析的方法。
通过建立数学模型和计算流体力学方法，可以预测飞行器的气动性能和飞行状态。
空气动力学模拟可以为飞行器设计提供理论支持和优化指导，可以节省实际试验的成本和时间。
五、应用领域空气动力学工作原理被广泛应用于航空航天领域。
航空器设计师通过研究空气动力学原理，设计出具有优异性能的飞机和导弹。
同时，空气动力学原理也被应用于空气动力学模拟、气象学、建筑设计等领域，为人们提供更加安全、高效的工程设计和科学研究方法。
结语空气动力学的工作原理是研究飞行器在空气中运动的基础知识，涉及气流力学、机翼气动力学、升力和阻力等方面。
了解和应用空气动力学原理可以优化飞行器设计、提高飞行性能，同时也可以为其他工程领域提供重要的理论支持和指导。
空气动力学基础02空气动力学详解
2.4.5 升力系数曲线、阻力系数曲线和升阻比曲线 、极曲线
升阻比和升力系数、阻力系数一样都是无量纲参数， 在飞行马赫数小于一定值时，只与机翼的形状( 机翼翼 型、机翼平面形状) 和迎角的大小有关。 当迎角改变时，气流在机翼表面的流动情况和机翼表 面的压力分布都会随之发生变化，结果导致了机翼升 力和阻力的变化， 压力中心位置的前后移动。
2.机翼平面形状和参数
机翼平面形状
机翼平面形状是飞机处于 水平状态时，机翼在水平 面上的投影形状 （a）矩形；（b）梯形； （c）椭圆形； （d）后掠翼； （e）（f）和（g）为三角 形和双三角形。
参数
机翼面积S 梢根比η 翼展展长L 展弦比λ 后掠角χ 平均空气动力弦长
飞机机翼气动升力的产生：
当气流流过机翼表面时，由于气流的方向和机翼所采用的翼 型，在机翼表面形成的流管就像图2 - 5 中所示的那样变细或 变粗，流体中的压力能和功能之间发生转变，在机翼表面形 成不同的压力分布，从而产生升力。
2.3 机体几何外形和参数
2. 3.1 机翼的几何外形和参数
2.4.3 阻力
在低速飞行中飞机的阻力
摩擦阻力 压差阻力 干扰阻力 诱导阻力
废阻力
废阻力主要由空气的粘性引起 在介绍飞机的阻力之前，应先了解与空气粘性有关的 一些空气的流动状态。
1. 气流在机体表面的流动状态
（1）附面层 （2）层流附面层和紊流附面层 （3）附面层的分离
非定常流
定常流
2.1.4 流线、流线谱、流管和流量
空气动力学
空气动力学概述空气动力学是研究物体在空气中运动时受到的力学效应的学科。
它主要研究物体在流体介质中运动时的力学特性和性能。
空气动力学的研究范围涉及飞行器、汽车、船舶等各种交通工具，以及建筑物、桥梁等建筑结构，甚至涉及生物体在空气中运动的现象。
空气动力学基本原理定义在空气动力学中，物体在流体中的运动被称为空气动力学运动。
研究空气动力学时，我们通常关注以下几个关键参数： - 速度（Velocity）：物体在流体中运动的速度。
- 密度（Density）：流体的密度，表示在给定体积中流体分子的数量。
- 粘度（Viscosity）：流体的粘度，描述了流体分子内聚的力量。
力学模型在空气动力学中，我们使用下面的几个力学模型来研究运动物体受到的力学效应：•定常流动模型（Steady Flow Model）：假设物体在流体中的运动速度、流体的密度和粘度都是恒定不变的。
•非定常流动模型（Unsteady Flow Model）：考虑流体速度和流体参数（如密度和粘度）随时间变化的情况。
•不可压缩流动模型（Incompressible Flow Model）：假设流体在运动过程中密度保持不变。
•可压缩流动模型（Compressible Flow Model）：考虑流体在运动过程中密度会发生变化的情况。
流体力学方程在空气动力学中，我们使用基本的流体力学方程来描述物体在流体中受到的力学效应：•欧拉方程（Euler’s Equation）：描述了流体的不可压缩流动模型，它基于质量守恒、动量守恒和能量守恒等原理。
•纳维-斯托克斯方程（Navier-Stokes Equation）：描述了流体的可压缩流动模型，它在欧拉方程的基础上加入了粘性项，更符合实际流体的运动特性。
应用领域空气动力学在许多领域都有广泛的应用。
以下是一些常见的应用领域：航空航天工程空气动力学在航空航天工程中具有重要的作用。
对于飞机、火箭、导弹等飞行器的设计和性能分析，空气动力学提供了基础理论和方法。
2-第2章-《风力发电空气动力学基本原理》
第二章一、填空：1、风的能量包括【机械能（动能、势能和压力能）】和【热能】。
2、黏性是流体的重要物理属性。
是流体【抵抗剪切变形】的能力。
3、在低于音速的情况下，流动阻力分为【摩擦阻力】和【压差阻力】。
4、流体运动分为【层流】和【湍流】两种状态。
5、层流和湍流传递【动量】、【热量】和【质量】的方式不同。
湍流的传递速率远大于层流传递速率。
6、雷诺数在物理上的本质是表征了流体运行的【惯性力】和【黏性力】的比值。
7、【轴向诱导因子】代表了风轮前来流速度和风轮处速度变化的比率。
8、风轮最多可以吸收59.3%的风的动能。
在风轮效率最高时，风轮后的速度是风轮前速度的【1/3】。
9、【切向诱导因子】的意义是气流切向旋转角速度与叶轮旋转角速度的比例。
10、【风轮的叶尖速比】是风轮的线速度与风轮上游来流速度的比值。
11、一维动量理论分析得到风轮的功率因数仅与【轴向诱导因子】有关；在考虑风轮尾流旋转后，影响功率因数的因素增加了【叶尖速比】；叶素-动量理论的结果中影响因素【气流迎角】，【叶尖速比】、【叶片数量】、【风轮实度】以及【叶片翼型的升力系数和阻力系数】。
12、所有以阻力原理作用的风力机的叶尖比都【小于1】，属于低叶尖速比风力机。
13、两叶片风电机组的尖速比在【9-10】之间，三叶片的风电机组尖速比在【6-8】之间。
14、风力发电机组实度大致在【5%-20%】。
15、通过对风轮的分析得到叶片的空气动力参数——【气流迎角】、【升力系数】、【阻力系数】等对风轮的效率有着重要影响。
16、只有当绕物体流动的气流中出现【环流】时才会产生升力。
17、边界层在翼型上的分离有薄翼分离（一般出现在相对厚度【小于6%】的薄翼型上）、前缘分离（一般出现在相对厚度【9%-12%】的翼型上）、后缘分离（一般出现在相对厚度【大于15%】的翼型上）、混合分离（是在翼型上同时发生前缘分离和后缘分离）。
18、当迎角超过一定数值时，通常为【10-16】度，翼面的边界层会在上翼面发生完全分离，翼型升力系数陡然下降。
空气动力学_第2章
翼展：翼展是指机翼左右翼尖之间的长度，一般用l表示。
机翼面积：是指机翼在oxz平面上的投影面积，一般用S表示。 翼弦：翼弦是指机翼沿机身方向的弦长。除了矩形机翼外，
机翼不同地方的翼弦是不一样的，有翼根弦长b0、翼尖弦长
梢k弦b1。 几何平均弦长bpj定义为
S b pj l
EXIT
2.1 机翼的几何参数
机翼的外形五花八门、多种多样，有平直的，有三角 的，有后掠的，也有前掠的等等。然而，不论采用什么样 的形状，设计者都必须使飞机具有良好的气动外形，并且 使结构重量尽可能的轻。所谓良好的气动外形，是指升力 大、阻力小、稳定操纵性好。
矩形翼 平直翼 梯形翼 后掠翼 椭圆翼 三角翼
EXIT
2.1 机翼的几何参数
x
b(z )
C y q S xF
弦长处。作用在微元面积b(z)dz焦点处的升力为
假设机翼每个剖面的焦点与翼型一样仍在该剖面的1／4
x
C y ' qb( z) dz
EXIT
2.2 机翼的空气动力系数，平均气动弦长和焦点
因此作用在剖面焦点的升力对oz轴的力矩为
1 剖面前缘距oz轴为 x , 剖面焦点距oz轴为 x b( z ) , 4
x
EXIT
2.2 机翼的空气动力系数，平均气动弦长和焦点
M z 0 2q
l/2
0
m' z 0 b 2 ( z )dz
假设 m' z 0 ( z ) mz 0 ＝常量，则上式变为
M z 0 2q mz 0
l/2
0
b 2 ( z )dz
由于假设矩形机翼的零升俯仰力矩和实际机翼的零升俯仰 力矩相同，由 M z 0 M 'z 0 得
第二章_空气动力学(民航大学)
2.3 机体几何外形和参数
上反角和下反角：机翼底 面与垂直机体立轴平面之 间的夹角，ψ 。
纵向上反角：机翼安装角 与水平尾翼安装角之差。
机身的几何形状和参数
机身长度Lsh、最大当量 直径Dsh及其所在轴向相 对位置和长细比 λ sh=Lsh/Dsh。
附面层转变的原因
气流流过机体表面的距离越长，附面层越厚。 机体表面过于粗糙、凹凸不平。
层流附面层和紊流附面层
紊流附面层VS层流附面层
紊流附面层比层流附面层厚，底部的横向速度 梯度也比层流的大。紊流附面层对气流的阻滞 作用比层流附面层大。
层流附面层和紊流附面层的速度型
气流在机体表面的流动状态
机翼的空气动力
α 小迎角下作用在机翼上的空气动力
伯努利定理的应用
阻力
阻力是与飞机运动轨迹平行，与飞行速度方向相反的 力。阻力阻碍飞机的飞行，但没有阻力飞机又无法稳 定飞行。
阻力的分类
对于低速飞机，根据阻力的形成原因，可将阻力 分为：
•摩擦阻力(Skin Friction Drag) •压差阻力(Form Drag) •干扰阻力(Interference Drag)
影响因素：
空气的粘性 附面层内气流的流动状态（紊流大于层流）。 机体与气流的接触面积越大，机体表面越粗糙，
摩擦阻力越大。
层流附面层和紊流附面层的速度型
摩擦阻力在飞机总阻力构成中占的比例较大
超音速战斗机 大型运输机 小型公务机 水下物体 船舶
摩擦阻力占总阻力的比例 25-30% 40% 50% 70% 90%
废阻力
第二章 空气动力学 空气动力学
机翼后掠角
2.3 机体几何外形和参数
机翼相对机身的安装 位置
安装角：机翼弦线与 机身中心线之间的夹 角。机翼的安装角为 正，前缘上偏。40 机翼相对机身中心线 的高度位置： 伞式单翼 上单翼 中单翼 下单翼
2.3 机体几何外形和参数
上反角和下反角：机 翼底面与垂直机体立 轴平面之间的夹角， ψ。 翼尖上翘为上反角 翼尖下垂为下反角 纵向上反角：机翼安 装角与水平尾翼安装 角之差。一般水平安 定面的安装角为负， 前缘下偏。
2.2 流体流动的基本规律
A1v1 A2v2 1 1 2 2 p1 v1 p2 v2 2 2
结合连续方程和伯努利方程可以得出结论： 不可压缩、理想流体定常流动时，
在管道剖面面积减小的地方，流速增大，流体 的动压增大，静压减小。 在管道剖面面积增大的地方，流速减小，流体 的动压减小，静压增大。
经机翼上翼面的流管收缩，切面积变小。下翼面 的流管扩张，切面变大。据连续性定理可知，上 翼面的空气流速大于来流的流速。下翼面的气流 流速小于来流流速。 据伯努力定理可知，上翼面处气流的静压低于来 流大气压强，而下翼面静压大于来流大气压强。 作用在机翼上、下表面的压强差的总和在垂直于 相对气流方向的分力，就是机翼产生的升力。升 力方向与相对气流的方向垂直。
一维定常流的数学表达式
V=V(S) P=P(S) T=T(S)
一维流动的条件： 沿流动方向管道横截面积的变化率非常小 管道轴线的曲率半径比管道的直径大得多 沿管道各个截面速度分布和温度分布的形 状几乎不变
将质量守恒定律应用于运动流体所得到的 数学关系式称为连续方程 积分形式的连续方程
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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。
──诱导阻力 和粘性无关。
三、汽车上的诱导阻力 汽车近似于一个有限翼展的机翼，底 部压强大于上部的压强，在汽车侧面产生 由车底向上的流动，产生诱导旋涡，如图2 －12也产生诱导阻力。
§2－8 作用在汽车上的
气动力和气动力矩
一、气动力 X X p X F Xi 1、气动阻力 2、升力 Y 3、侧向力Z 二、气动力矩
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
M x Zyc 1、侧倾力矩 2、横摆力矩 M z Xyc Yxc 3、侧纵倾力矩 M y Zxc
三、力系数和力矩系数
1、力系数 阻力系数
Cx X 1 V 2 A 2 Y Cy 1 V2 A 2
升力系数
侧向力系数
Cz
Z 1 V2 A 2
2、力矩系数
纵倾力矩系数
§2－2 定常流动和非定常流动 流线 迹线 流谱
一、 定常流动和非定常流动 风洞中提供 的流场是定常的。 二、 流线 迹线 流谱 性质 定常流动中迹线和流线重合，如 图2－2
§2－3 流体流动的连续性方程和 伯努里方程
一、连续性方程（条件定常）
V1 A1 V2 A2 C 1、 可压缩 意义：质量流量为常数。 2、 不可压 意义: 体积流量为常数。 二、伯努里方程 1 2 意义：p1 V p0 2
2、 影响因素
a 、 来流速度，同样的物体来流速度不同 不同，分离点的位置不同，则不同。 b、物体的形状 流线体很小，突然中断的 截尾形状很大，为摩擦阻力的数十倍。 c.在流场中的方位。
§2－7 诱导阻力
一、有限翼展的情况 产生后缘旋涡和翼梢旋涡。 二、诱导阻力形成的原因 由于上述旋涡的存在产生一个诱导速度 W ，由 V∞’和W合成V∞ 升力则垂直于V∞ ，将其在y方向和x 方向上分解，则得到诱导阻力。
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)
二、关于阻力下节讨论
§2－6 摩擦阻力和压差阻力
一、摩擦阻力 1、 形成原因附面层内存在速度梯度 2、 影响因素 a、物体形状 b、边界层内 的流动状态
二、压差阻力
1、形成原因ຫໍສະໝຸດ X P pdA sin
理想流体绕流圆柱体时，既无升力也无阻力，粘性流体时 产生摩擦和附面层分离造成物体前后压强不对称则
§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
第二章 空气动力学基本原理
本课程以空气动力学和流体力学为理 论基础，分析汽车周围的流场，研究作 用在汽车上的气动力矩和气动力，并应 用这些成果改善汽车的性能，因此要深 入研究汽车空气动力学的问题必须熟悉 这些原理和有关应用问题，多数问题在 流体力学中都以涉及到，在此不再赘述， 仅就和汽车比较密切的一些问题加以论 述
§2－1 理想流体和不可压缩流体
一、流体──能够流动的物质叫流体。由分子构 成，都具有粘性、可以压缩。 二、理想流体──假想没有粘性的流体 三、不可压缩流体──忽略压缩性的流体。 气体──可压 液体───不可压、当气体流速 小于100米/秒时，也可以视为不可压缩流体，如 低速风洞中均不考虑压缩性性。
mz
Mz 1 V2 Al 2
横摆力矩系数 m y 1
2
My
V2 Al
Mx
侧倾力矩系数 mx
1 V2 Al 2
其中：A----汽车正投影面积
l-----汽车长度
Typical drag coefficients for regular 2- and 3-D objects
二元物型
§2－5 升力和阻力
一、流体对机翼的作用力 理想流体绕流机翼时，由于上下表面弯度 不同，上下气流不对称，形成图2－7所示 的压强分布，将这个不对称的压强在整个 机翼表面上积分，则得到力R ， 将R分解 到x y方向 上，就可以得到升力和阻力。
关于升力的讨论
1、Y和物体的形状有关。 2、Y正比于速度的平方。 3、Y与物体在流场中的方位有关Y －攻角 。