空气动力学与飞行器设计
飞行器设计中的空气动力学与气动力控制
飞行器设计中的空气动力学与气动力控制作为现代交通工具的重要组成部分，飞行器的设计和控制涉及的科学知识相当广泛而深入。
其中，空气动力学和气动力控制是两个非常重要的方面。
在飞行器的设计和生产过程中，空气动力学和气动力控制的理论和实践运用将起到至关重要的作用。
一、空气动力学的基本知识和相关理论在飞行器设计中，空气动力学是一个非常重要的学科。
它主要研究物体在空气中运动时所产生的力学现象。
空气动力学相关理论包括不可压缩流、可压缩流、风力学等方向。
在飞行器的设计和飞行过程中，空气动力学的重要性体现在以下几个方面：1.气动力性能：气动力性能是指飞机在不同运动状态下所产生的力和力矩。
在设计飞行器时，需要通过计算机模拟等手段来获得气动力性能时间，进而对飞机进行优化设计。
2.气动特性：气动特性是指飞机在空气中运动时所产生的一系列物理现象。
包括升力和阻力的变化、动压与静压的变化、气流紊流等。
3.空气动力力学设计：在设计飞行器时，空气动力力学设计是一个非常重要的环节。
它涉及气动受力模型的建立、计算方法的验证等方面，是实现飞行器稳定、安全、高效运行的基础。
二、气动力控制的相关实践气动力控制是指利用飞机的机动表现，控制和调节飞机姿态和运动状态的一种方法。
它可以通过飞机自身的动力系统或机械和电子设备等传动系统来实现。
气动力控制的实践应用很广泛，其中几个主要的方向如下：1.自动驾驶系统：自动驾驶系统是一种利用计算机或机器人等设备，通过控制设备对飞机进行机动操作，以实现自动驾驶的一种方法。
在飞行器设计中，自动驾驶系统是一个非常重要的实践应用方向。
2.空气动力控制系统：空气动力控制系统是指通过飞机自身受力，对飞机进行姿态调节和运动状态控制的系统。
它包括飞机操纵面的设计与控制以及对空气动力力学性能的调整。
3.动力分配和平衡系统：动力分配和平衡系统是指对飞机动力系统进行控制和调整，以保障飞机的稳定运行和高效能表现。
这种系统可以在飞行中根据环境状况和机群状况，进行动态的调整和决策。
空气动力学及飞行器设计研究
空气动力学及飞行器设计研究随着现代科技的不断发展，飞行器的设计和研究已经成为一个重要的领域。
在这个领域中，一个非常关键的概念就是空气动力学。
空气动力学是研究空气对于物体运动和行为的影响的科学，而在飞行器设计中，空气动力学扮演了非常重要的角色。
飞行器的设计研究可以分为三个主要部分。
第一部分是空气动力学的基础研究，这部分研究的内容包括流体力学、气动力学、热力学等等;第二部分是飞行器设计的初步设计，这部分研究的内容包括飞行器的大小、结构、动力装置、飞行系统等;第三部分是飞行器的制造和测试，这部分研究的内容包括材料和结构的选择、试飞的设计和执行等。
空气动力学是飞行器设计的基础。
在空气动力学研究中，主要涉及到气体的流动规律、空气对物体的作用和反作用等。
这些规律和知识对于飞行器设计者来说是无比重要的。
通过对空气动力学的研究，可以设计出更加安全、更加稳定和更加高效的飞行器，同时还能够为退役飞行器的改进提供技术支持。
在空气动力学研究中，一个非常重要的部分就是气动力学。
气动力学是研究空气对物体运动和行为的影响以及它们的相互关系的学科。
通过气动力学研究，可以得到飞行器在不同的空气环境中的稳定性和可控性，并且可以确定飞行器所需的动力装置大小和能力。
另外，一个非常重要的部分是热力学。
热力学是研究能量转移和热效率的学科。
在飞行器中，由于需要考虑到机身温度和引擎性能等问题，因此热力学也是一个非常重要的领域。
通过热力学研究，可以确定引擎的最大推力和热效率，同时还可以确定降温系统和热量传递机制等。
初步设计是飞行器设计过程中的第二步。
在初步设计过程中，需要确定飞行器的大小、形状、结构和系统等，以及决定所需的动力装置。
这些设计决策的影响是非常重要的。
例如，飞行器的大小和形状会影响其空气动力特性，而结构和系统方案则会影响飞行器的重量、维护性和成本。
在飞行器制造和测试环节中，同样需要仔细斟酌。
制造过程中需要选择高强度和高温抗性的材料，以便保证飞行器的性能并确保其正确性。
空气动力学在飞行器设计中的应用
空气动力学在飞行器设计中的应用飞行器设计是一门复杂且精密的工程学科，它涉及到多个领域的知识，其中包括机械工程、物理学、材料科学等。
在飞行器的设计中，空气动力学扮演着至关重要的角色。
空气动力学是研究飞行器与气流之间相互作用的科学，它通过模型试验、数值模拟和理论推导等方法，为飞行器的设计和优化提供了重要的理论支持和实验依据。
首先，空气动力学在飞行器设计中的应用可以帮助工程师了解飞行器的气动特性。
通过对飞行器进行空气动力学试验和数值模拟，工程师可以了解飞行器在不同飞行状态下的阻力、升力和侧向力等参数。
这些参数对于飞行器的飞行性能、稳定性和操控性等方面至关重要。
通过深入了解飞行器的气动特性，工程师可以对飞行器的设计进行合理的优化和改进，从而提高其飞行性能和操控能力。
其次，空气动力学在飞行器设计中的应用可以帮助工程师预测和减少空气阻力。
在飞行器设计中，空气阻力是一个重要的问题。
过大的空气阻力会导致飞行器的能耗增加、机动性能下降，并且会产生噪音和振动等问题。
通过空气动力学的研究，工程师可以了解飞行器受到的空气阻力的来源和影响因素，并采取相应的措施来减少空气阻力。
比如，在飞机设计中，工程师可以改变飞机的外形和翼型，减少飞机的阻力系数，从而提高飞机的速度和燃油效率。
另外，空气动力学在飞行器设计中的应用还可以帮助工程师研究飞行器的稳定性和控制性。
通过空气动力学的研究，工程师可以了解飞行器在不同飞行状态下的稳定性和操纵性能，并设计相应的控制系统来调节和控制飞行器的姿态和航向。
这对于飞行器的安全飞行和精确操纵至关重要。
通过空气动力学的研究，在飞行器的设计和改进过程中，工程师可以为飞行器提供稳定和可控的飞行性能，从而确保飞行器的飞行安全性和操作性。
此外，空气动力学在飞行器设计中的应用还可以帮助工程师进行新型飞行器的概念验证和设计初步。
在研发新型飞行器的过程中，工程师需要通过空气动力学的研究来验证新型飞行器的可行性和设计方案的可行性。
飞行器设计中的空气动力学问题
飞行器设计中的空气动力学问题现代飞行器是由众多的零部件组成，每个零部件的设计都是必要且重要的。
而其中一个最核心的部分就是空气动力学设计。
空气动力学问题影响着整个飞行器的性能，并且在飞行器的设计过程中具有关键作用。
本文将探讨飞行器设计中的空气动力学问题。
第一部分：飞行器的气动特性飞行器的空气动力特性是在飞行器与空气相互作用的过程中产生的力和力矩。
这些力通常是由于空气流经机翼表面、机身和飞行控制分量的表面而产生的。
因此，飞行器设计师必须在设计飞行器时考虑到这些力的影响，并保证飞行器可以稳定飞行。
设计飞行器的过程中，设计师需要考虑的最重要的气动特性就是升力和阻力。
升力是指垂直向上的力，是必须产生的飞行力，它帮助保持飞行器在空中。
阻力是指飞行器飞行时在空气中产生的反向力，通常直接影响到飞行器的速度，而这是必须要控制的。
第二部分：机翼设计机翼是飞行器中最重要的组成部分。
它的作用是产生升力，帮助飞行器保持悬停状态，并控制飞行方向。
机翼设计中最关键的是截面形状，截面形状有很多种类型，如对称和非对称形状。
对称形状可提供更为稳定的的飞行状态，而非对称形状则可产生更为复杂的气动力学效应。
除了截面形状，翼型的几何形状也是一个重要的设计参数。
翼型通常分为两种：圆翼和翼型翼。
圆翼具有较低的气动力，但在襟翼后沿不稳定。
而翼型翼则具有优异性能。
第三部分：飞机气动力学稳定性飞机气动力学稳定性是设计过程中需要考虑的另一个重要问题。
气动力学稳定性是客观评价一个飞行器的性能是否稳定的标准。
气动力学稳定性影响着飞行器的操纵、降落和起飞，过于不稳定的飞行器会很难操纵，并且容易产生事故。
在设计飞行器时，需要考虑飞行器的气动力学稳定性，以保证飞行器的安全。
第四部分：气动力学实验气动力学实验是验证飞行器的设计和性能的方法，也是设计过程中不可或缺的一个部分。
通过用真实流动具有实验室条件模拟真实环境的方式，尤其是在飞行器所具有的运动状态和相对风速之下的实验，使设计师能够验证表达出来的假设和设计是否有效。
空气动力学的飞行器气动设计
空气动力学的飞行器气动设计一、引言飞行器的气动设计是飞行器研发过程中至关重要的一部分。
通过合理的气动设计，可以提升飞行器的性能和稳定性，为飞行任务的完成提供有力保障。
本文将从空气动力学的角度探讨飞行器气动设计的相关内容。
二、气动力学基础1. 升力和阻力升力和阻力是飞行器气动设计的两个核心要素。
升力是垂直于飞行方向的力，使得飞行器可以克服重力而上升。
阻力则是与飞行方向相反的力，会阻碍飞行器的前进。
合理地控制升力和阻力的大小和分布，可以提高飞行器的飞行效率和经济性。
2. 气动力特性气动力特性是指飞行器在运动过程中所受到的气动力的变化规律。
通过对气动力特性的研究，可以了解飞行器在不同飞行状态下的性能表现，从而指导气动设计的优化。
常见的气动力特性包括升力系数、阻力系数、气动力矩等。
三、飞行器气动设计的关键技术1. 翼型设计翼型是飞行器气动设计中最重要的组成部分之一，其形状和参数的选择直接影响飞行器的气动力性能。
合理的翼型设计可以提高飞行器的升力系数和升力阻力比，降低阻力系数，从而提高飞行器的爬升率和巡航速度。
2. 翼面布局翼面布局是指飞行器翼面的形状和位置安排。
翼面布局应考虑飞行器的气动布局和流场分布，在满足气动性能要求的前提下，尽量减少阻力和波阻。
3. 推进系统与气动外形的匹配推进系统与飞行器气动外形的匹配是飞行器气动设计的关键之一。
合理的推进系统设计可以提供足够的动力，同时减小阻力和干扰，提高飞行器的机动性能。
4. 飞行器的稳定和操纵性设计飞行器的稳定性和操纵性设计是保证飞行安全和实现飞行任务的基础。
通过合理的飞行器布局和控制系统设计，可以提高飞行器的稳定性和操纵性，减小操纵力矩和操纵响应时滞。
四、飞行器气动设计的优化方法1. 数值仿真数值仿真是飞行器气动设计中普遍采用的优化方法之一。
通过建立飞行器的数值模型和求解气动方程，可以预测飞行器的气动性能并进行参数优化，从而降低设计成本和风险。
2. 实验验证实验验证是优化设计的重要手段之一。
飞行器空气动力学分析与设计
飞行器空气动力学分析与设计在现代科技飞速发展的时代，飞机已经成为了人类的日常生活中不可或缺的一部分。
飞机的设计、制造、试飞以及飞行都需要涉及到空气动力学的知识。
本文将探讨飞机空气动力学的基本原理、分析方法以及设计策略等方面的知识。
一、空气动力学基本原理空气动力学是研究空气与物体相互作用的科学。
在飞机空气动力学中，主要涉及的是静止空气与飞机、飞机与动态空气之间的相互作用。
1.空气动力学中的流体力学基本原理稳定流体中的运动可以通过三个方程来描述：质量守恒、动量守恒和能量守恒。
这些方程可以用来描述流体中的所有流动。
在空气动力学中，主要关注的是气体流动，气体流动的基本特点是压缩性和可压性。
压缩性是指在气体流动过程中气体密度发生变化，可压性是指气体流动的速度高达音速以上，产生冲击波，导致气体密度和温度的突然变化。
2.飞行器受力分析当飞机在静止空气中飞行时，外部气体对飞机的作用力分为三种：升力、阻力、重力。
升力与飞机的机翼形状、机翼的攻角、机翼尺寸、机翼表面的粗糙度等因素有关。
阻力与飞机的形状、速度、密度、粘性、速度分布等因素有关。
重力则是与飞机的质量和引力有关。
飞机的稳定性可以通过重心与气动中心的相对位置来评估。
当飞机的重心位于气动中心之前时，飞机具有稳定性；当飞机的重心位于气动中心之后时，飞机具有不稳定性。
二、飞行器空气动力学分析方法1.实验方法实验方法是飞机气动性能测试的重要手段。
通过做实验可以得到飞机的气动力学参数，如阻力系数、升力系数、气动干扰系数等。
同时，实验还可以验证理论计算的准确性。
2.数值模拟方法数值模拟方法是一种适用于计算机模拟的方法。
通过计算机程序模拟出飞机在静止空气和动态空气中的流动情况，可以得到飞机的气动力学性能参数。
数值模拟方法已经成为现代飞机设计和验证的主要手段之一。
三、飞行器空气动力学设计策略1.设计最优机翼机翼是飞机气动性能的关键部件。
设计时应该考虑机翼的形状、攻角以及空气动力学参数等因素。
空气动力学与飞行器的设计
空气动力学与飞行器的设计空气动力学是研究飞行器在空气中运动的力学学科，它主要研究飞行器的飞行状态、飞行稳定性、控制性能和空气动力性能等问题。
而飞行器的设计则是将以上研究成果转化为实际飞行器的设计、生产和测试。
在本文中，我们将主要探讨空气动力学与飞行器设计的相关知识和技术。
一、空气动力学基础空气动力学是一门跨学科的学科，包括流体力学、热力学、数学和控制工程等学科。
在飞行器设计中，空气动力学研究主要围绕飞行器气动力分布、阻力、升力、失速、气动力特性等问题展开。
1.1 气动力系数气动力系数是描述飞行器在空气中受到的气动力大小和方向的参数。
它通常用在飞行器设计中，帮助工程师计算飞行器的气动力性能。
常见的气动力系数有：升力系数、阻力系数、侧向力系数、俯仰力系数、滚转力系数等。
升力系数代表飞行器受到的向上的力的大小；阻力系数代表飞行器所受到的阻力大小；侧向力系数代表飞行器所受到的侧向力大小；俯仰力系数代表飞行器所受到的俯仰力大小；滚转力系数代表飞行器所受到的滚转力大小。
1.2 翼型及其气动性能翼型是飞行器的一个重要部件。
不同的翼型形状会对气流产生不同的影响，如何选择合适的翼型成为了飞行器设计的一项重要工作。
翼型的气动性能主要包括升阻比、抗失速性能、稳定性和可控性等。
升阻比是评价翼型性能的一个重要指标。
它是升力系数与阻力系数的比值，直接反映了翼型在飞行中的升力和阻力大小。
一个高升阻比意味着在同样的推力下，飞行器可以获得更大的升力，从而可以更加经济地飞行。
抗失速性能是指翼型的稳定性能。
在飞行中，若气流过于湍流或速度过低，会引起翼型失速，翼面的气动特性发生剧烈变化，使飞行器产生不稳定的运动。
因此，强抗失速性能的翼型对飞行器的设计极为重要。
稳定性和可控性是飞行器设计中需要考虑的两个重要问题。
稳定性是指在保证飞行安全的前提下，飞行器的各项运动基本保持平稳，不受外界干扰的影响。
可控性是指飞行器在运动中可以被实时控制、调整方向、飞行高度等。
空气动力学飞行器设计与空气流动
空气动力学飞行器设计与空气流动在现代航空领域中，空气动力学飞行器的设计和空气流动是至关重要的。
空气动力学是研究空气流动对物体的影响和物体如何与空气相互作用的科学。
本文将探讨空气动力学飞行器设计的原理和空气流动对其性能的影响。
一、空气动力学飞行器设计原理空气动力学飞行器的设计原理是基于空气动力学理论的应用。
空气动力学理论主要研究空气流动在物体上产生的压力、升力、阻力和推力等现象。
这些现象对于飞行器的设计和性能有着重要的影响。
在飞行器设计中，一项重要的原则是要减小阻力，以提高飞行速度和燃油效率。
为了减小阻力，飞行器的外形应该尽可能的流线型，以降低空气的阻力。
此外，飞行器的翼型也是设计中的关键因素之一。
翼型的选择直接影响着飞行器的升力和阻力。
通常，选择适当的翼型可以在提供足够升力的同时，减小阻力。
同时，飞行器的重心位置和机翼的位置也是设计中需要考虑的。
重心位置的合理选择可以使飞行器保持平衡，而机翼的合适位置可以提供更好的升力和稳定性。
二、空气流动对飞行器性能的影响空气流动对飞行器的性能影响非常显著。
当飞行器在空气中运动时，空气流动会导致飞行器受到的压力分布不均匀，从而产生升力和阻力。
升力是空气动力学飞行器上升的力量，对于飞行器的起飞、飞行和降落都至关重要。
空气流经飞行器的机翼时会被加速，在机翼上表面形成一个较低的压力区域，而在机翼下表面形成一个较高的压力区域。
这种压力差会产生升力，使飞行器得以维持在空中。
另一方面，阻力是空气动力学飞行器运动过程中需要克服的力量。
阻力会导致飞行器前进时消耗更多的燃料，限制其速度和航程。
空气流动会在飞行器表面摩擦产生摩擦阻力，并且由于空气的压力不均匀性还会产生压力阻力。
为了减小阻力，飞行器的外形应该符合流线型，并且要注意减小表面的摩擦和压力差。
此外，空气流动还会影响飞行器的稳定性和操纵性。
在飞行中，空气动力学效应会对飞行器的操纵和控制提出要求。
飞行器的翼型、机翼位置和舵面的设计都会影响到飞行器的稳定性和操纵性。
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空气动力是什么，是怎样产生的？ 重于空气的飞行器怎么能飞？ 飞行器设计中的关键问题是什么？ 现代及未来飞行器是什么样的？ 空气动力学的应用范围有哪些？ 、、、
主要内容
前言 飞行中的力学现象 CFD在飞行器设计中的重要作用 空气动力学研究动态
“眼镜蛇”机动
眼镜蛇机动
眼镜蛇机动
飞行中的力学现象 超机动飞行
SU-37超机动表演
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CFD在飞行器设计中的作用
正问题： 给定飞行器外形，计算气动载荷、气动力及飞行器气 动性能
反问题： 给定气动性能要求，寻求符合要求的飞行器气动外形
综合优化设计过程
CFD在飞行器设计中的作用(续 )
风洞试验(续)
随着电子、激光、热线、液晶、光导、微型传感器 等技术的发展，目前风洞试验可以模拟飞行器的大 部分飞行环境、参数及模态。如：
大气湍流、突风、大雨、结冰等
音爆、噪声等
气动热：高超声速
垂直起落、俯仰(偏航)震荡、摇滚、尾旋等
南航NH-1风洞
真 空球罐
卫
数 采间
生
间
消音 池 阀门 间
I. M=0
II. M<1
飞行中的力学现象 典型流动现象(I)
III. M=1
IV. M>1
飞行中的力学现象 典型流动现象(I)
• 激波 • 激波前后流场
物理量的变化
激波随物体形状的变化
飞机周围的激波
飞行中的力学现象 典型流动现象(II)
机翼翼梢脱出的涡索
飞行中的力学现象 典型流动现象(III)
CFD的重要作用
以较小的花费获取较全面的信息。如： 数值模拟周期短
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现代飞行器设计方法的要求
周期短 成本低 可重复实验 结果可靠 可提供飞行器设计所需的参数
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飞行器设计的主要研究方法
风洞试验：Wind-tunnel Experiment 数值试验/模拟 : Numerical Simulation 飞行试验：Flying Test 理论分析: Theoretical Analysis
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风洞试验
风洞实验是实验空气动力学中的一个重要的研究方 法。
风洞：是一种设备，利用相似准则，能够在地面模 拟飞行器在大气中的飞行，并进行数据采集及处理 。
世界上第一座风洞：1891，韦纳姆 为飞行器设计及飞行试验提供技术参数。 优点：能模拟飞行环境。 缺点：成本高、周期长、技术难度大。
飞行中的力学现象
升力的产生(2)
简单地说：上下翼面的压力差产生了升力
迎角的定义
问题：航海中，为 什么规定两艘船平 行航行时，不能靠 的太近？
飞行中的力学现象
阻力的产生
压差阻力：由上下翼面的压力差产生了升力， 同时，前后翼面的压力差会产生阻力。
摩擦阻力：由于气流具有粘性，在物面上会出 现剪切应力，切向应力形成摩擦力。
物体后方的涡系结构，涡的产生、破碎
飞行中的力学现象 典型流动现象(III)
物体后方的涡系结构 ，涡干扰
飞行中的力学现象 典型流动现象(IV)
紊流流动
飞行中的力学现象 典型流动现象(IV)
无粘流与粘性流动的比较
飞行中的力学现象 典型流动现象(V)
流动随迎角的变化
飞行中的力学现象 超机动飞行
飞行器所受的力
升力：又称举力，克服重力，抬起飞行器 阻力：含摩擦阻力、压差阻力等 推力：推进系统提供 重力：飞行器自身重量
问题：升力/阻力是怎样产生的？
飞行中的力学现象
升力的产生(1)
速度与压力的关系：伯努利公式
P U 2 常数
2
此式表明：当密度为定值时(不可压流)，流速越 大的地方，压力越小。
控 制间
钳 工间
去圬 池
空
NH-1风洞实验大厅
压 机
真空泵房 南航高超声速风洞 房
(NHW)
南航高超声速风洞(NHW)
南航高超声速风洞(NHW)
南航高超声速风洞(NHW)
数值试验/模拟
数值模拟是计算流体力学中的核心。 数值模拟：利用高性能计算机，通过数值求解流动
模型的控制方程，得到全流场离散点上的流动参数 ，进而达到模拟流动状态及过程的目的。 作用：
揭示流动机理 解释流动现象 数值仿真
飞行试验
根据数值模拟结果与风洞试验结果，制造原形样机， 进行实际飞行，以测试飞行器的设计指标。
一般需要3~5架原型机进行实验。
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飞行中的力学现象
飞行器所受的力 飞行器所受的力矩 典型的流动现象 超机动飞行
飞行中的力学现象
飞行中的力学现象
粘性效应
速度的分层，粘性流动的速度型
飞行中的力学现象
粘性效应(续)
流体微团的变形，切应力的产生
飞行中的力学现象
飞行器所受的力矩
俯仰力矩：使飞行器抬头或低头 偏航力矩：使飞行器航向发生改变 滚转力矩：使飞行器绕机体轴滚转
飞行中的力学现象 典型流动现象(I)
扰动传播的四种情况： 假设：扰动以声速传播。 定义：马赫数(M)=飞行速度/声速
前言
现代飞行器的主要特点 现代飞行器设计对研究方法的要求 飞行器设计的主要研究方法
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现代飞行器的主要特点
民用飞行器 (货运飞机、客运飞机等)
航程/航时长 有效载重大 运行成本低 安全性高
பைடு நூலகம்
军用飞行器 (运输机、轰炸机、战斗机等)
机动性
隐身性
载弹量
抗打击能力 进攻/防卫能力
现代飞行器的主要特点(续)
先进飞行器(战斗机)设计特点
翼身融合设计 鸭式布局(跨、超声速飞行器) 乘波外形设计(高超声速飞行器) 机体/进排气一体化设计 气动/隐身一体化设计 综合性能优化设计
典型飞行器演示图片
X32
X32
X35
B2
法国Rafale战机
理想流体：无粘、不可压流体
实际流体：有粘、可压流体
飞行中的力学现象
空气的粘性
实际上，空气是有粘性的。在研究流体流动机理方 面，这些粘性效应是不容忽视的。在日常生活中， 由于空气粘性很小而不容易察觉。
现实例子：河中间的河水流速比岸边快
粘性影响下，飞行器表面的气流应该具有与当地物 面相同的速度。(在相对坐标系下，物体不动，气流 以一定的速度流过物体，此时，物面空气质点的速 度应该为零)