空气动力学
空气动力学及其应用
空气动力学及其应用概述：空气动力学是研究空气对物体运动的影响的科学。
它在各个领域都有广泛的应用，包括航空航天、汽车工程、风力发电等。
本文将介绍空气动力学的基本原理及其在实际应用中的一些例子。
一、空气动力学的基本原理空气动力学研究的对象是空气流动对物体运动的影响。
其中，流体力学和动力学是空气动力学的两个基本分支。
流体力学主要研究流体的运动规律，动力学则探究力对物体运动的影响。
1. 流体力学流体力学分为两个分支：静力学和动力学。
静力学研究的是静止流体的力学性质，而动力学研究的是流体的运动特性。
在空气动力学中，我们主要关注的是流体的动力学性质，即液体或气体的流动过程。
2. 动力学动力学是研究运动物体的力学原理。
在空气动力学中，我们需要考虑物体在空气中移动时所受到的阻力、升力和推力等因素。
其中，阻力是空气对物体运动的阻碍力，而升力是物体在空气中产生的向上的力，推力是物体在空气中产生的向前的力。
二、空气动力学的应用空气动力学在各个领域都有重要的应用，下面将介绍其中一些常见的应用领域。
1. 航空航天工程航空航天工程是空气动力学的典型应用领域之一。
在飞机的设计和制造过程中，空气动力学原理被广泛应用。
例如，空气动力学可以帮助设计机翼的形状和尺寸，以达到减小阻力、增加升力的目的。
此外，空气动力学还能够帮助优化飞机的外形和气动布局，提高飞行稳定性和操纵性能。
2. 汽车工程空气动力学在汽车工程中也有重要的应用。
通过减小汽车的阻力，可以提高汽车的燃油经济性和行驶稳定性。
例如，在汽车外形设计中，空气动力学原理可以指导优化车身的流线型，减小车身与空气之间的阻力。
同时，空气动力学还可以帮助优化车辆底部的空气动力学布局，减小底部的气流阻力。
3. 风力发电风力发电是一种利用空气动力学原理的可再生能源技术。
风力发电机的叶片利用风的流动产生动力，并通过转子变速器将动力转化为电能。
在风力发电机的设计和优化中，空气动力学的原理被广泛应用。
空气动力学的基础理论
空气动力学的基础理论空气动力学是研究物体在空气中运动的科学，它对飞行器设计与性能优化具有重要意义。
本文将从空气动力学的基础理论入手，介绍气动力、流体力学以及相关的实验方法。
一、气动力学基本概念气动力学是研究运动物体与周围气流相互作用的学科，其中重要的概念包括气动力和气动力系数。
气动力是指空气对物体施加的力。
根据牛顿第二定律，物体所受的气动力与其质量和加速度成正比，与气流速度和密度有关。
气动力可分为升力和阻力两个方向，其中升力垂直于气流方向，使飞行器产生升力；阻力平行于气流方向，使飞行器受到阻碍。
气动力系数是将气动力与流体的速度、密度、物体特性等无量纲化的比值，是空气动力学研究中常用的参考指标。
常见的气动力系数有升力系数、阻力系数、升阻比等。
二、流体力学基本原理在空气中运动的物体受到空气流体的阻力和升力的影响，因此了解流体的基本原理对于理解空气动力学至关重要。
1. 理想流体模型理想流体模型假设流体是无黏性、无旋转、不可压缩的。
在此假设下，流体的运动可以通过欧拉方程或伯努利方程来描述。
欧拉方程描述了流体中的速度和压力分布。
通过欧拉方程，可以研究不可压缩理想流体的运动状态。
伯努利方程描述了流体在不同区域的速度、压力和高度之间的关系。
伯努利方程表明，当流体速度增大时，压力将下降，反之亦然。
2. 边界层理论在实际气流中，流体的黏性导致了边界层的存在。
边界层是沿着固体表面形成的流速逐渐变化的一层流体。
边界层理论通过分析边界层的速度分布和压力分布，研究物体与流体之间的摩擦力和压力分布。
边界层厚度和摩擦阻力是设计飞行器时需要考虑的重要因素之一。
三、空气动力学实验方法实验方法在研究空气动力学中起着关键作用，通过实验可以验证理论模型，并为飞行器的设计和改进提供依据。
1. 风洞实验风洞实验是模拟真实空气流动场景的方法之一。
通过在风洞中放置模型，可以获得模型在不同风速下的升力和阻力等数据，从而分析空气动力学性能。
2. 数值模拟数值模拟是使用计算机模拟和解析相关方程来研究空气动力学。
空气动力学
空气动力学空气动力学，是流体力学的一个分支,主要研究物体在空气或其它气体中运动时而产生各种力。
空气动力学为流体力学在工程上的应用力学，特别讨论在马赫数大于0.3的流场情形。
空气动力学因为讨论的状况接近真实流体，考虑了真实流体的黏滞性、可压缩性、三维运动等特点，所以得到的计算方程式比较复杂，通常为非线性的偏微分方程式形式。
这种方程在绝大多数的情况下都难以求得解析解的，加之早期计算技术还比较落后，所以当时大多是以实验的方式来求得所需的数据。
随着计算机技术的迅速发展，使用计算机进行大量数值运算来求解空气动力学方程式成为可能。
利用数值法以及计算流体力学方法，可以求出非线性偏微分方程的数值解，得到所需要的各种数据，从而省去了大量的实验成本。
由于数学模型的不断完善以及计算机计算能力的不断提高，现在已经可以采用电脑模拟流场的方式来取代部分空气动力学实验。
其他领域中的空气动力学除航空航天外，空气动力学在其他领域也有非常重要的应用。
在包括汽车在内的所有交通工具的设计中，它都是一个很重要的因素。
大型建筑物涉及到风载荷，市内空气动力学研究城市的微气候环境，环境空气动力学研究大气环流和飞行对生态系统的影响。
还有发动机设计所涉及的热流和内流也是空气动力学非常重要的一个方面。
连续性假设气体是由微观上不断作热运动并相互碰撞的分子组成的。
然而在空气动力学中，气体被假定为连续的。
这是因为气体的各种性质如密度、压力、温度以及速度在无限小的点上有很好的定义，而且从一点到另一点是连续变化的。
气体的离散性和原子性可以忽略不计，所以从宏观上来讲，气体是可以被看成具有连续性的物质。
当然气体非常稀薄时，连续性假设不再成立，此时采用统计力学研究是一种更好的选择。
守恒定律空气动力学问题的求解依赖于气体在三个方面的守恒：质量守恒：只有在气体的速度高至必须考虑相对论效应时此定律才会失效。
动量守恒：由牛顿第二定律推导可得。
能量守恒：在不考虑粘性时，即机械能守恒；在必须考虑粘性的情况下，即机械能和热能的守恒。
空气动力学
空气动力学空气动力学，又称为空气力学，是研究空气在物体表面流动产生的作用力及其变化规律的学科。
它是研究航空、航天等领域中的重要基础工程学科。
本文将从空气动力学的基本理论、应用及发展前景三个方面进行讲解。
一、空气动力学的基本理论1. 流体运动基本方程空气动力学研究空气在物体表面流动产生的变化规律，因此，必须首先了解流体运动的基本方程。
流体运动基本方程可分为三个方程，分别是连续性方程、动量守恒方程和能量守恒方程。
这三个方程讲述了液体或气体在运动过程中物质守恒、动量守恒和能量守恒的基本现象。
在空气动力学中，常常将连续性方程和动量守恒方程一起表示为Navier-Stokes方程组。
2. 边界层理论在空气动力学中，物体表面与空气之间的接触面形成了一个边界层。
边界层内的流动速度由于摩擦力的作用而降低，流速梯度迅速增大，流动变得非常不规则。
由于流动不规则，导致边界层内的流动无法用Navier-Stokes方程组解析，因此需要采用边界层理论来描述边界层内的流动。
边界层理论主要包括两个关键概念：边界层厚度以及失速现象。
边界层厚度是指从物体表面开始，空气流动速度下降到1/99最大速度时，空气的流动状态转变为虫状流动的距离。
失速现象是指在边界层内由于压力梯度过大，空气流速超过速度极限而失速的现象。
3. 升力和阻力在飞行器运行的过程中，除去重力，另一重要的作用力就是空气对于飞行器的阻力和升力。
升力是指飞行器在空气中的上升力，阻力是指飞行器在空气中的阻碍力。
升力和阻力的作用机理采用了符合空气动力学规律的气动力学原理，美国为普朗克方程，德国为刘第二定理。
二、空气动力学的应用空气动力学是应用广泛的工程学科，主要应用于航空、航天、汽车、风力发电等领域。
下面介绍空气动力学在航空和航天领域的应用。
1. 飞行器气动特性飞行器的气动特性是指飞行器在空气中运动时，受到空气动力学作用的特性。
通过空气动力学实验和数值模拟，可以研究气动特性的各种参数，如阻力、升力、升力系数等。
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。
空气动力学
空气动力学科技名词定义中文名称：空气动力学英文名称：acerodynamics;aerodynamics定义1：流体力学的分支学科，主要研究空气运动以及空气与物体相对运动时相互作用的规律，特别是飞行器在大气中飞行的原理。
所属学科：大气科学（一级学科）；动力气象学（二级学科）定义2：研究空气和其他气体的运动以及它们与物体相对运动时相互作用规律的科学。
所属学科：航空科技（一级学科）；飞行原理（二级学科）本内容由全国科学技术名词审定委员会审定公布百科名片同名书籍空气动力学是力学的一个分支，它主要研究物体在同气体作相对运动情况下的受力特性、气体流动规律和伴随发生的物理化学变化。
它是在流体力学的基础上，随着航空工业和喷气推进技术的发展而成长起来的一个学科。
目录F1中空气动力学的最基本原理和公式空气动力学的发展简史空气动力学的研究内容空气动力学的研究方法其它力学分支学科主要物理学分支图书信息1图书信息2F1中空气动力学的最基本原理和公式空气动力学的发展简史空气动力学的研究内容空气动力学的研究方法其它力学分支学科主要物理学分支图书信息1图书信息2展开1．动量理论推导出作用在风机叶轮上的功率P和推力T（忽略摩擦阻力）。
由于受到风轮的影响，上游自由风速V0逐渐减小，在风轮平面内速度减小为U1。
上游大气压力为P0，随着向叶轮的推进，压力逐渐增加，通过叶轮后，压力降低了ΔP，然后有又逐渐增加到P0（当速度为U1时）。
根据伯努力方程H=1/2（ρv2）+P (1)ρ—空气密度H—总压根据公式（1），ρV02/2+P0=ρu2/2+p1ρu12/2+P0=ρu2/2+p2P1-p2=ΔP由上式可得ΔP=ρ（V02- u12）/2 (2)运用动量方程，可得作用在风轮上的推力为：T=m(V1-V2)式中m=ρSV,是单位时间内的质量流量所以： T＝ρSu（V0-u1）所以：压力差ΔP＝T/S=ρu（V0-u1）由（2）和（3）式可得：u＝1/2[（V0-u1）] (4)由（4）式可见叶轮平面内的风速u是上游风速和下游风速的平均值，因此，如果我们用下式来表示u。
空气动力学 科普
空气动力学科普空气动力学是研究空气在物体表面周围的流动及其对物体的影响的科学。
它是力学和流体力学的一个重要分支，广泛应用于航空航天、汽车、建筑等领域。
本文将从流动的基本原理、气流的特性以及应用领域三个方面科普空气动力学的知识。
一、流动的基本原理空气动力学研究的基础是流体力学。
在空气动力学中，流体可以看作是连续不断的微小粒子，其运动服从牛顿力学的基本定律。
空气动力学研究的主要对象是流体在物体表面周围的流动。
在空气动力学中，流体的流动可以分为层流和湍流两种形式。
层流是指流体沿着平行于表面的方向流动，流线间没有交叉和混乱。
湍流则是流体流动产生的一种混乱的状态，流线交叉、扭曲，流动速度和压力分布不规则。
物体表面周围的流动可以产生压力分布的变化。
当流体流过物体表面时，流体速度增加，压力就会降低，形成低压区域。
根据伯努利原理，流体速度增加时，压力就会降低，而流体速度减小时，压力就会增加。
这种压力分布的变化对物体产生了升力和阻力。
二、气流的特性在空气动力学研究中，气流的特性对于物体的设计和性能有着重要影响。
首先是气流的速度分布。
在物体周围的气流中，速度分布不均匀。
在物体正面，气流速度较快，而在物体背面，气流速度较慢。
这种速度分布的不均匀性对物体的阻力和升力产生了影响。
其次是气流的粘性。
气体具有一定的黏性，当气体流动时，会与物体表面发生摩擦。
这种摩擦会阻碍气流的流动，并产生阻力。
因此，在空气动力学中，研究气流的粘性对于降低阻力、提高效率非常重要。
最后是气流的湍流特性。
湍流是气流流动中产生的一种混乱状态，流线交叉、扭曲，流动速度和压力分布不规则。
湍流对物体的阻力产生很大影响，因此在空气动力学中，研究气流的湍流特性对于降低阻力、提高性能至关重要。
三、应用领域空气动力学在许多领域都有着重要的应用，下面分别介绍航空航天、汽车和建筑领域的应用。
在航空航天领域，空气动力学是飞机设计的重要基础。
通过研究机翼和机身的气动特性，可以优化飞机的升力和阻力，提高飞行效率。
空气动力学知识点总结
空气动力学知识点总结一、概述空气动力学是涉及空气对物体运动产生的力学现象的学科，是研究空气的流动和物体在空气中运动时所产生的力及其相互作用的学科。
空气动力学在现代工程设计、航空航天、交通运输、建筑设计、气象学等领域都有广泛的应用。
二、基本概念1.空气动力学基础学科：空气动力学是理论力学、气体力学、热力学、流体力学等多个领域交叉的学科。
2.气动力学：指空气运动对物体所产生的力学效应和物体所受的力学反作用。
3.机翼：是创造升力的部分，承受飞行器全部重量的部分。
4.升力：是指在流体中飞行的物体所受的上升力。
5.阻力：是指在流体中移动的物体所受的阻碍力。
三、空气动力学的应用1.飞行器在飞行器方面的应用，空气动力学的重要性相当突出。
要使飞机的设计、制造、试验及飞行达到令人安全放心的水平，必须依靠空气动力学的理论和方法。
2.轮船船的航行速度直接受到水流的阻力，而气体在飞行器上产生的阻力同样发生在船身上，空气动力学理论可用于轮船的设计和制造。
3.高速列车在铁路运输领域，高速列车的瞬息万变的空气动力学作用是影响其行驶稳定性和运输安全的重要因素。
4.建筑设计在建筑领域中，从设计建筑物的表面阻力与表面空气动力学特征，到楼宇的空气流体力学设计以及可持续建筑的改进，空气动力学在建筑设计上的作用愈发重要。
5.运动器材设计在运动器材设计方面，空气动力学可用于设计高尔夫球头、拉力器、船桨、滑翔机等不同型号和用途的器材。
四、空气动力学知识点总结1.空气动力学的研究对象，包括流体的流动状态、物体的运动状态以及流体和物体之间的相互作用。
2.气体的运动状态与流速、压力、温度和密度等相关。
3.常用的空气动力学运动模型，包括旋转圆盘模型、圆柱模型、球模型、机翼模型等。
4.空气动力学方程主要有牛顿运动定律、伯努利定理、连续性方程、动量守恒方程、热力学第一定律等。
5.空气动力学实验包含风洞实验，飞行器模型的地面试验，飞行器在空中的试飞试验等。
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正激波及阻力 斜激波
音障
楔型体 超音速运动
激波及激波阻力
阻力系数 消耗3/4功率
活塞发动机高速时螺旋桨效率低、桨尖易产生激波喷气发动机 降低波阻的超音速气动布局如后掠翼、面积率蜂腰机身等
音爆云
激波后气体 急剧膨胀降压降温
潮湿天气
气温低于露点 水汽凝结水珠
云雾
超音速 低压气流
局部正激波 斜激波
局部亚音气流 超音/亚音气
绕障碍物流动的卡门涡街
低Re数
绕流运动
周期性脱落
旋向相反 排列规则
双列线涡 即卡门涡街
塔科玛峡谷桥风毁事件及电线风鸣声
19米/秒的风流经边
墙
卡门涡街
风吹电线
涡交替发放
流体物体施加横向交变侧向力 物体流体施加横向交变气动力
上下逆向旋涡 带走动量方向相反
桥梁振动
涡发放频率 桥梁结构的固有频率
共振破坏
压强脉动形成声波 辐射声波
气流继续增压
燃烧室/燃烧 扩张喷管
气流超音速喷出 推力
航天空气动力学
热障及黑障
热辐射 热传导
动能热能 黏性 摩擦力 摩擦生热 可压缩性 激波 压缩增温
气流带走
加热飞行器表面 结构强度
刚度
热障 气动热力学
F16战斗机 Ma=2温度120℃铝合金 黑鸟SR-17侦察机 Ma=3温度370℃93%钛合金 航天飞机 Ma=36温度11000K硅瓷片防护瓦、烧蚀材料
车辆空气动力学
车型迎风阻力 拖曳涡涡阻 占62%
空气阻力 表面摩擦阻力 占9% 外部零件干扰阻力 占17% 内部气流阻力 占12%
空气阻力下降10% 油耗降弧圈球
黏性
上表面流体流速高低压 下表面流体流速低高压
侧向力 马格努斯力
顺时针旋转圆柱
不对称分离 侧向力
研究方法
流 压缩减速
膨胀加速
超音速气流
尾激波
压缩减速
音爆 激波面上声学能量高度集中，这些能量让人感受到短暂而极其强烈的爆炸声。
冲压发动机
亚燃冲压发动机 3<Ma<6
进气道及扩压段 斜激波及正激波
气流增压至亚音速
燃烧室 燃烧
拉伐尔喷管 气流超音速喷出
推力
超燃冲压发动机
进气道/斜激波 气流增压且超音速
隔离段 附面层诱导激波串
来流 下洗角
尾涡
翼梢小翼
削弱尾涡 阻挡气流上卷 下洗速度
诱导阻力
内向侧力
升力 推力
翼梢小翼
内向侧力
升力 推力
激波
V1 a 1
V2 V1
激波阻力 D shmV1V20
后掠机翼
平直机翼
边条涡
V
n
是产生升力/激波的有效速 度
后掠翼可提高产生激波的Macr
边条翼：下表面压力>上表面压力
气流旋转 涡旋转 边条涡
龙卷风 积雨云中大范围分布的涡量
由下降气流带到地面 涡管拉细/涡量增强 地面气压急剧下降/风速急剧上升
森林空气动力学 建筑物空气动力学
树木风阻∝风速：种植方式避免风害 风阻树冠/树叶： 树叶在高速风中结构变 形 种子传播：繁衍规律、仿生力学
高/矮建筑物间涡流：风速大于普通布局的3-4 倍 建筑物迎背风面： 背风面低压吸力效应 斜屋顶：倾斜角较小吸力效应屋顶掀翻
简化方程
科学抽象/数学方法得到定量结论 揭示物理现象的内在规律/具有相对普适性 抽象模型简化无法满足复杂实际问题的研究需要 非线性偏微分方程组解析解困难强烈依赖数学分析方法、数学理论的发展
连续介质假设 分子统计力学
流体充满一个体积
无规则热运动大量分子
无分子空隙 无分子运动
连续介质
宏观运动规律 不考虑微观结构
基本任务：空气、气体的运动规律及其与固体之间相互作用力
航空、航天、汽车/列车、建筑/桥梁、叶轮机械（风机/汽轮机等）、
天气预报、船舶、体育运动、……
航空飞行器空气动力学
空气流过飞行器外部时运动规律
升力储备：爬升、机动飞行 气动效率：高升阻比 稳定性、操控性 表面压力及换热规律：材料、结构
飞行器升力及形成机理
空气动力学基本理论
风洞/水洞/其他实验台
架
模型 实物
结果真实/可靠//丰富
学时1
基础性
为理论分析/数值计算提供依据
应用性 实验研究 尺寸/边界/测试仪器及方法限
开拓性
制
耗时/耗力/耗经费
基本概念如连续介质
理论研究 定律如三大守恒定律
数学工具如复变函数
具体物理现象 主次因素
抽象模型 定量分析
运动规律 相对普适 解析解
空气动力 学
绪论及基本概念、知识
空气与气体动力学的任务、研究方法及发展
流体力学
流体静力学 流体动力学
液体
水力学 理论流体动力学 润滑理论
气体 无黏流动 黏性流动
变化小
变化大
不可压缩低速
空气动力学 高度或低压影响
动力气象学 稀薄气体动力学
高速影响
气体动力学 亚/跨/超声速空气动力 学 高超声速空气动力学 电磁流体动力学
分子密度低 电离弱
80km<
黑障区
<
54.8km
大气稠密减速至一定程度 温度低电离弱
空气/气体动力学的其他应用
鸟类/昆虫飞行及扑翼机
合力
升力
推力
均匀来流 合速度
扑动速度
机动性强 举升/推进/悬停/快速变向等动作集于一个扑翼系统 大升力 利用非定常机制，其升力远高于常规飞行器，能够在低雷诺数条件下飞行。
涡心P低而V高 流经部位压力低
涡升力
注入机翼表面气流能量推迟分离
高速气体（空气或燃气）在压缩性呈显著作用时的流动规
发动机气体动力学 律及其与物体之间的相互作用；
气体在物体内部（如发动机）的运动规律；
航空发动机主要部件及其作用
压气机/风扇：气体增压
燃烧室：气体加热
涡轮：气体膨胀
音障/音爆/音爆
云
弱压缩波
化学反应
空气电离
等离子鞘套 等离子体振荡频率
黑障 气动热化学
无线电截止频率无线电信号屏蔽
常温常压 O2占20% N2占80%完全气体 P RT 2000K<T<4000K O22O 4000K<T<9000K N22N 9000K<T 原子电离OO++e- NN++e- O,N,阳离子O+, N+和自由电子的等离子体
理想不可压流体 伯努利方程
p v2
2
const
假设
库塔-儒可科夫 斯基定理
LV
凯尔文定理 D 0 Dt
实际
环量从何而来？
黏性
附面层 旋涡/涡
量
Stokes定 理
AndAc
翼型非对称附面层内涡量总和 即为导致升力的环量
飞行器气动部件及其空气动力学机理
翼尖尾涡 下洗速度
诱导阻力 实际升力 有效迎角 升力
100km以下
伯努利方程
动量守恒 DVRp
Dt
忽略空气质量 定常流动 忽略黏性/理想流
体 不可压流体
p V2 const
2
Dvx Dt
Rx1px1x2vxx 2 3V1yvyx vxy 1zvzx
vxz
Dvy Dt