空气动力学：第一章 流体动力学基础概要
流体的空气动力学
流体的空气动力学空气动力学是研究流体在空气中的力学行为规律的学科，主要应用于航天、航空、汽车、水力学等领域。
在这个领域中，流体的运动特性、力学原理以及流体对物体的作用力都是非常重要的。
一、流体的运动特性流体的运动特性是研究流体在空气中的速度、压力、密度等相关性质。
流体在空气中的运动可分为两种类型：层流和湍流。
层流是指流体沿着平行方向以等速度、等压力且不交叉的方式运动；而湍流则是指流体以不规则、混乱的方式运动，速度和压力都存在剧烈而随机的变化。
二、流体的力学原理在空气动力学中，流体的力学原理主要涉及到气体动力学和液体动力学。
气体动力学是研究气体在空气中的运动规律，而液体动力学则是研究液体在空气中的运动规律。
这两个学科的基本原理都是基于质量守恒、动量守恒和能量守恒的基本定律。
对于气体动力学，包括气体的压力、密度和温度等变化对流体运动的影响。
科学家通过研究气体的压力分布、速度分布以及温度变化来了解流体的运动规律。
对于液体动力学，主要考虑的是液体在空气中的形状变化、速度分布、压力分布等。
通过研究液体的黏度、表面张力以及流体力学方程等来分析液体在空气中的运动特性。
三、流体对物体的作用力在空气动力学中，流体对物体的作用力是非常重要的研究内容。
当流体与物体接触时，会产生压力、摩擦力以及阻力等作用力。
这些作用力对于研究飞行器的设计、汽车的空气动力性能以及水流对于船只的影响等都具有重要的意义。
压力是由于流体分子的碰撞与物体表面产生的力。
而摩擦力则是由于流体与物体表面之间的相互作用而产生的力。
阻力则是由于物体在流体中运动时所受到的阻碍力。
四、应用领域空气动力学的研究成果在众多领域中得到广泛的应用。
在航天领域中，空气动力学的理论和实践为航天器的设计、发射以及返回等提供了重要的依据和方法。
在航空领域中，空气动力学的研究可用于优化飞机的外形设计，减小飞机的阻力，提高飞机的效率和稳定性。
在汽车领域中，空气动力学的研究可用于改进汽车设计，提高汽车的空气动力性能，减少空气阻力。
流体动力学基础
流体动力学基础流体动力学是研究流体的运动规律和性质的科学，它是流体力学的分支之一，广泛应用于航空、航天、水力、能源等领域。
本文将介绍流体动力学的基础概念、基本方程以及常用方法。
一、流体动力学的基本概念1. 流体力学与流体静力学的区别流体力学研究流体在运动中的行为，包括流体的流动速度、压力、密度等参数的分布规律；而流体静力学则研究流体在静止状态下的平衡规律，主要关注流体的静压力和浮力等性质。
2. 流体的本构关系流体的本构关系描述了流体的应力与变形速率之间的关系。
常见的本构关系有牛顿黏性流体、非牛顿流体以及理想流体等。
3. 流体的运动描述流体的运动可以通过流体速度场来描述，流体速度场是空间中的矢量函数，它描述了流体的速度分布。
流体速度场的描述可以使用欧拉描述方法或者拉格朗日描述方法。
二、流体动力学的基本方程1. 连续性方程连续性方程描述了质量守恒的原理，即单位时间内通过某一截面的质量是恒定的。
对于稳定流动的不可压缩流体来说，连续性方程可表示为流体密度与速度之积在空间中的量级是恒定的。
2. 动量方程动量方程是描述质点运动定律的基本方程，对流体来说，动量方程体现了运动流体的动力学行为。
对于稳定流动的不可压缩流体来说，动量方程可表示为流体的密度乘以速度与压力梯度的叠加等于外力的结果。
3. 能量方程能量方程描述了热力学系统的能量守恒原则，对于流体来说，能量方程考虑了流体的流动对能量转移的影响，以及热源、做功所导致的能量变化。
三、流体动力学的常用方法1. 数值模拟方法数值模拟是流体动力学研究的重要工具，通过在计算机上建立流体动力学方程的数值解，可以模拟复杂流动现象，如湍流、多相流等。
2. 实验方法实验方法是流体动力学研究的另一重要手段，通过搭建实验平台，测量流体的压力、速度等参数，从而验证理论和数值模拟结果的准确性。
3. 理论分析方法理论分析方法是流体动力学研究中的基础，通过建立假设和推导数学表达式，可以得到流体动力学问题的解析解，为实验和数值模拟提供参考。
空气动力学研究生课程第一章
处于平衡状态或近平衡状态的热力学系统，通过引入状态参量 由热力学定律进行描述。
状态参量： ☞强度参量（与系统体积、质量无关），如压力、温度 ☞广延参量（与系统质量有关），如内能、体积 热力学系统内能：
U U (S ,V , n1 , n2 .......nk )
其中，S为熵，V为体积，ni为气体组分摩尔数 内能变化表示为
（2）空气动力学（主要指外流）：不可压缩＋可压缩流体动力学
（3）气体动力学
Gas Dynamics ＝气动热力学
不可压缩＋可压缩＋加热＋化学反应流体动力学
Incom-＋Com-＋Thermo-＋Chemo- Fluid Flow
＝Aerothermodynamics
◆ 气体动力学
在连续介质假设下，研究可压缩、有热效应气体介质 的运动规律，和气体与固体之间相互作用的学科。
k U U U dU ( )V ,n j dS ( ) S ,n j dV ( ) S ,V ,n j dni S V i 1 ni
U U dU ( ) dS ( ) S , n j dV V ,n j ＝＝＝＞ S V
系统组分不变
◆ 热力学第一定律：
指包括热交换、做功在内的广义的能量守恒定律。该定律 构建了状态函数内能的定义。 （1）热力学第一定律（固定质量系统）形式
Q W dE
dE (dU dU ' ) d ( KE) d ( PE)
分子平均动能+分子势能 电磁能 宏观运动动能 宏观运动势能
（2）热力学第一定律（控制体系统）形式
g c g m cm / dyne s 2
如果，常数gc 定义为无量纲常数且绝对大小为1，则导致了 MLt (3个基本量纲，Mass, Length, Time), FLt （3个基本量 纲，Force, Length, Time) 从基本量纲导出的量纲，称为导出量纲 ◆ 国际单位系统（SI)，基于MLt量纲系统 质量单位:千克（kg）， 长度单位:米（m），时间单位:秒（s） 以加速度1m/s2加速1千克质量所需要的力，称为1牛(N) 1N=1kg m/s2 以1牛推进物体1米距离所做的功，称为焦尔(J)
流体动力学基础理论
流体动力学基础理论流体动力学是研究流体运动规律及其物理现象的学科，其基础理论包括流体静力学和流体动力学两个部分。
本文将围绕流体动力学的基础理论展开论述，包括主要概念、基本方程和典型应用等内容。
一、流体动力学概述流体动力学是研究流体在受力作用下的运动规律的学科。
在研究流体动力学时，通常将流体视为连续分布的介质，分析其运动状态和受力情况。
流体动力学的研究对象包括气体、液体和等离子体等。
流体动力学的基本假设有两个，即连续介质假设和边界层假设。
连续介质假设认为流体可以被看作是连续分布的介质，从而可以用连续函数来描述其物理量。
边界层假设认为流体与物体表面之间存在一层边界层，该层内的流体性质发生较大变化，而在该层外的流体相对稳定。
二、基本方程流体动力学的基本方程包括质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程三个方程。
这三个方程构成了描述流体运动规律的基本框架。
1. 质量守恒方程质量守恒方程描述了流体质量的变化情况，其数学表达式为：∂ρ/∂t + ∇·(ρv) = 0其中，ρ表示流体的密度，t表示时间，v表示流体的速度，∇·表示散度运算符。
质量守恒方程表明在流体中，质量的增减与流体的速度有关，通过质量守恒方程可以研究流体的质量流动和密度分布情况。
2. 动量守恒方程动量守恒方程描述了流体运动的动力学规律，其数学表达式为：ρ(∂v/∂t + v·∇v) = -∇p + ∇·τ + ρg其中，p表示流体的压力，τ表示流体的黏性应力，g表示重力加速度。
动量守恒方程表明流体的运动受到压力、黏性应力和重力的综合作用，通过动量守恒方程可以研究流体的速度场和受力情况。
3. 能量守恒方程能量守恒方程描述了流体能量的变化情况，其数学表达式为：ρCv(∂T/∂t + v·∇T) = ∇·(κ∇T) + Q其中，Cv表示流体的定压比热容，T表示流体的温度，κ表示流体的热导率，Q表示流体受到的热源项。
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例：下列说法中正确的是（在括号中打√，可多选）：
（1）甘油与酒精的粘性差别很大，因此二者的粘性剪应力 差别也很大 （ ）
（2）甘油的粘性系数确定，因此甘油中的粘性剪应力也确 定； （ ） （3）在同样的速度梯度（变形速度）下，甘油中的粘性剪 应力大于酒精的粘性剪应力； （ ） （4）在同样的速度梯度（变形速度）下，甘油中的粘性剪 应力大小不受温度影响； （ ）
• 要注意上述都是流体的物性参数，当气体运动时，其相 对压缩性必须用运动气体马赫数大小来代表。
• 作用力的分类：彻体力和表面力。 • 作用力的表达： 彻体力
F f lim f i f j f k , x y z v 0
表面力
F P T c p lim lim lim p n A A A A 0
DV V V a V 一维形式： s Dt t s
• 流体微团的变形和运动包括线变形、角变形、转动和平动： 线变形：
u v w , x y , z x y z
1 1 w v u w v u 1 , , 2 y z 2 z x 2 x y
• 理想流和静止流体中的压强：法向应力 p 特性：各向同性
• 流体平衡微分方程
p f x x p f y y p f z z
dp d ( f dx f dy f dz ) x y z
• 意义：静止或平衡流体中，某方向的压强变化（梯度） 由该方向的彻体力造成。 • 等压面方程：
4. 空气动力学基本方程是本章重点，微分形式方程要重点掌握连 续方程、欧拉方程和能量方程的表达和意义；掌握微元控制体 分析方法；掌握伯努利方程的表达、意义、条件和应用；积分 形式方程要掌握质量方程、动量方程和能量方程的表达和意义 ，并会用它们解决实际工程问题；
空气动力学部分知识讲解
空气动力学及飞行原理课程空气动力学部分知识要点一、流体属性与静动力学基础1、流体与固体在力学特性上最本质的区别在于：二者承受剪应力和产生剪切变形能力上的不同。
2、静止流体在剪应力作用下（不论所加剪切应力τ多么小，只要不等于零）将产生持续不断的变形运动（流动），换句话说，静止流体不能承受剪切应力，将这种特性称为流体的易流性。
3、流体受压时其体积发生改变的性质称为流体的压缩性，而抵抗压缩变形的能力和特性称为弹性。
4、当马赫数小于0.3时，气体的压缩性影响可以忽略不计。
5、流层间阻碍流体相对错动（变形）趋势的能力称为流体的粘性，相对错动流层间的一对摩擦力即粘性剪切力。
6、流体的剪切变形是指流体质点之间出现相对运动（例如流体层间的相对运动）流体的粘性是指流体抵抗剪切变形或质点之间的相对运动的能力。
流体的粘性力是抵抗流体质点之间相对运动（例如流体层间的相对运动）的剪应力或摩擦力。
在静止状态下流体不能承受剪力；但是在运动状态下，流体可以承受剪力，剪切力大小与流体变形速度梯度有关，而且与流体种类有关7、按照作用力的性质和作用方式，可分为彻体力和表面力（面力）两类。
例如重力，惯性力和磁流体具有的电磁力等都属于彻体力，彻体力也称为体积力或质量力。
8、表面力：相邻流体或物体作用于所研究流体团块外表面，大小与流体团块表面积成正比的接触力。
由于按面积分布，故用接触应力表示，并可将其分解为法向应力和切向应力：9、理想和静止流体中的法向应力称为压强，其指向沿着表面的内法线方向，压强的量纲是[力]/[长度]210、标准大气规定在海平面上，大气温度为15℃或T0=288.15K ，压强p0 = 760 毫米汞柱= 101325牛/米2，密度ρ0 =1.225千克/米311、从基准面到11 km 的高空称为对流层，在对流层内大气密度和温度随高度有明显变化，温度随高度增加而下降，高度每增加1km，温度下降6.5 K。
从11 km 到21km 的高空大气温度基本不变，称为同温层或平流层，在同温层内温度保持为216.5 K。
第一章 流体力学基础知识
第一章流体力学基础知识本章先介绍流体力学的基本任务，研究方向和流体力学及空气动力学的发展概述。
然后介绍流体介质，气动力系数，矢量积分知识。
最后引入控制体，流体微团及物质导数的概念。
为流体力学及飞行器空气动力学具体知识的学习做准备。
1.1流体力学的基本任务和研究方法1.1.1流体力学的基本任务流体力学是研究流体和物体之间相对运动（物体在流体中运动或者物体不动而流体流过物体）时流体运动的基本规律以及流体与物体之间的作用力。
而空气动力学则是一门研究运动空气的科学。
众所周知，空气动力学是和飞机的发生，发展联系在一起的。
在这个意义上，这门科学还要涉及到飞机的飞行性能，稳定性和操纵性能问题。
事实上，空气动力学研究的对象还不限于飞机。
空气相对物体的运动，可以在物体的外部进行，像空气流过飞机表面，导弹表面和螺旋浆等；也可以在物体的内部进行，像空气在风洞内部和进气道内部的流动。
在这些外部或内部流动中，尽管空气的具体运动和研究运动的目的有所不同，但它们都发生一些共同的流动现象和遵循一些共同的流动规律，例如质量守恒，牛顿第二定律，能量守恒和热力学第一定律，第二定律等。
研究空气动力学的基本任务，不仅是认识这些流动所发生现象的基本实质，要找出这些共同性的基本规律在空气动力学中的表达，并且研究如何应用这些规律能动地解决飞行器的空气动力学问题和与之相关的工程技术问题，并对流动的新情况、新进展加以预测。
1.1.2空气动力学的研究方法空气动力学研究是航空科学技术研究的重要组成部分，是飞行器研究的“先行官”。
其研究方法，如同物理学各个分支的研究方法一样，有实验研究、理论分析和数值计算三种方法。
这些不同的方法不是相互排斥，而是相互补充的。
通过这些方法以寻求最好的飞行器气动布局形式，确定整个飞行范围作用在飞行器的力和力矩，以得到其最终性能，并保证飞行器操纵的稳定性。
实验研究方法在空气动力学中有广泛的应用，其主要手段是依靠风洞、水洞、激波管以及测试设备进行模拟实验或飞行实验。
空气动力学的基础知识
空气动力学的基础知识空气动力学是研究流体力学中与气体运动有关的力和运动的学科。
空气动力学的研究对象是运动的气体，其中包括飞行器、汽车、建筑物、船舶、火箭等物体在气体中的运动、流动和受力等问题。
本文将从空气动力学的基础知识入手，为读者介绍空气动力学的相关内容。
流场和速度场空气动力学研究的第一个问题是流体的流动。
流体的流动可以用流场和速度场来描述。
流场是指各点流体运动状态（流速、流速方向、密度、温度等）的分布情况。
速度场是指各点流体的流动速度。
流体的运动状态决定了它受力的状态，因此分析流场和速度场是空气动力学研究的第一步。
流场和速度场的计算方法以及它们之间的关系是空气动力学中的基础问题。
流体的连续性方程和动量守恒方程空气动力学中研究流体的运动过程需要遵循连续性方程和动量守恒定律。
连续性方程是描述流体运动过程的基本方程之一，它表述了流体在单位时间内通过任何一定横截面积内的物质流量相等。
动量守恒方程则描述了流体受力过程中的运动状态，这个方程能够反映物体在流体中穿过一个受力区域时所受的阻力、压力、力矩等信息。
空气动力学中的雷诺数在空气动力学中，雷诺数是一个非常重要的概念。
它是空气动力学中的无量纲参数，决定了流体的稳定性和不稳定性，可以用于描述边界层和湍流状态。
简而言之，当雷诺数越大时，流体会越容易变得湍流，这会对空气动力学的研究和设计带来许多影响。
翼型和飞行器翼型是空气动力学中的一个重要概念，它是描述飞行器机翼截面形状的函数。
翼形的设计对飞行器的性能有着至关重要的影响。
它能够影响到飞机的升力、阻力、抗扭稳定性、滚转和俯仰稳定性等方面。
因此，研究翼型的设计和性能是空气动力学研究的重要方向。
结语空气动力学是一门重要的学科，涉及众多的物理和数学知识。
通过本文的介绍，我们可以了解到空气动力学中的一些基础知识，例如流场和速度场、连续性方程和动量守恒方程、雷诺数、翼型和飞行器等。
对于空气动力学的学习者来说，深入了解这些基础知识对于学习和掌握这门学科是非常有帮助的。