空气动力学的理论基础及实用方法
“空气动力学是研究什么的
“空气动力学是研究什么的空气动力学是一门研究空气流动规律和气流中物体所受到的气流作用力，或是物体以一定的速度在空气中运动时所受的力的科学。
它的目的在于解决实际的飞行器设计问题和飞行问题。
这门学问从它所包含的理论成分和实践成分来说，是介乎理学院和工学院之间的。
它是理论和实际相结合而产生丰硕果实的一个良好的范例。
在1882年莫查依斯基的第一架飞机成功之前，早在十八世纪就有了研究流体运动规律的流体力学(现在我们称为古典流体力学)，不过在很长的一段时间里，这种学问只是数学家的游戏，另一方面企图创造飞机的实践家则在几乎没有理论指导的情况下摸索、探寻。
在十九世纪八十年代有一个实践家甚至声称“就飞行问题来说，一直到今天，数学对我们是完全没有用处的”。
等到飞机成为现实之后，生产上迫切需要理论的指导，人们才发现看来纯数学的游戏原来是可以和飞行相结合的。
当然这结合并不是把已有公式简单地搬过来用，而是在已有的基础上，结合飞机飞行的具体问题再向前发展。
自从结合之后，随着航空事业的飞跃发展，空气动力学在这几十年之间也有了辉煌丰硕的成果。
飞机的速度从每小时三四十公里(比自行车不过快一倍)开始，经过短短的几十年间，今天已达到音速(在海面上每小时约1200公里)的两倍以上，这样的发展速度在机械工程历史上是空前的。
在这样惊人的事业中，空气动力学所作的贡献至少不低于其他任何一方面的航空技术。
看过“俄罗斯航空之父”那个电影的人都知道，在一千九百零几年的时候，世界上飞机已经造了不少了，可是对于飞机为什么会产生举力这一基本问题并没有了解，也不知道该用什么样的翼型，只有一点经验主义的根据，结果时常失事。
儒可夫斯基在1905年提出了机翼的环流理论，决定翼型应该是圆头尖尾巴的。
这样就解决了飞行的一个根本性的大问题。
牛顿曾按固体力学的方法推导过气流流过一个物体时物体上所受到的力，别人用他的办法推算和气流斜成一定角度的平板(类似于摆成一定斜角的机翼)所受到的力，这个力完全得自流过平板下面的那部份气流的动量变化率。
空气动力学基本概念
如果过程不可逆，则熵值必增加，Δs >0。 等熵关系式 ：
p2
k 2
p1
k 1
k又称为等熵指数
1.4 描述流体运动的两种方法
流体运动的描述
流场：充满着运动流体的空间 流动参数：用以表示流体运动特征的物理量
描述流体运动的两种方法：拉格朗日法和欧拉法
拉格朗日法：流体质点 欧拉法：流场中的空间点
V2 ~ 2 Ma 2 a
马赫数M是研究高速流动的重要参数，是划分高速流 动类型的标准：
M<1，即气流速度小于当地声速时，为亚声速气流；
M>1，即气流速度大于当地声速时，为超声速气流；
M＝1时，气流速度等于当地声速；
一般又将M=0.8～1.2的气流称作跨声速气流。
1.3 热力学中的基本定律
定常流场、非定常流场
v x v x v x v x v v v dv vx v x dx y v dy v x dzz ax x y t x x x z dt t x dt y dt z dt vx v ( x, y , z , t )v x v v v y dv v v v v yy y dx y y y y dy y dz ay v xv v ay v ( x, v z y y , z , t ) dt t x dt y dt y y t x y z dt z dvz v z v z dx v z dy v z dz ( , z , t ) vx v v z a z v zv v z, y z z z az v dt v tx x dt y dt z v dtz y t x y z ax
伯努利方程 空气动力学
伯努利方程空气动力学1.引言1.1 概述在空气动力学研究领域，伯努利方程是一个重要的理论工具。
伯努利方程描述了流体在不同区域之间的流动特性，它是基于质量守恒、动量守恒和能量守恒等基本原理推导出来的。
这个方程用于分析空气动力学问题，以及设计和优化各种空气动力学装置，如飞机、汽车、桥梁等，对现代工程学产生了重要影响。
伯努利方程最早由瑞士物理学家丹尼尔·伯努利在18世纪中期提出，并且后来得到了不断的完善和扩展。
这个方程的核心思想是，当流体在不同区域之间流动时，其速度、压力和高度之间存在一定的关系，也就是所谓的伯努利方程。
通过研究这个方程，我们可以对流体的流动特性进行准确的描述和预测，从而为工程设计提供理论依据。
1.2 目的本文的目的是深入探讨伯努利方程在空气动力学中的应用。
我们将首先介绍伯努利方程的基本原理和推导过程，以及其在不同情况下的具体形式。
然后，我们将通过实例分析伯努利方程在空气动力学中的应用，包括飞机的飞行原理、汽车的气动力学性能、桥梁结构的稳定性等方面。
通过研究伯努利方程的应用，我们可以深入理解空气动力学问题的本质，提高对流体流动的认识和理解。
我们也可以借助伯努利方程为工程实践提供指导，优化设计方案，提高工程性能。
本文的研究具有一定的理论和实用价值，有助于推动空气动力学领域的发展和应用。
希望本文能够为读者提供对伯努利方程和空气动力学的深入认识，并激发更多人对这个领域的兴趣和研究热情。
2.正文2.1 伯努利方程在空气动力学中的应用伯努利方程是研究流体力学中的重要方程之一，它描述了在稳态流动中速度、压力和流体的位能之间的关系。
在空气动力学中，伯努利方程被广泛应用于分析和预测飞行器的飞行性能和气动力学特性。
伯努利方程可以帮助我们理解和解释飞行器的升力产生机制。
根据伯努利方程的推导，飞行器的升力主要由速度差导致的压力差产生。
当飞行器在空气中飞行时，它的上表面相对于下表面具有较高的速度，因此上表面产生了较低的静压力，而下表面产生了较高的静压力。
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
空气动力学崔尔杰*(中国航天科技集团第701研究所)本文简要回顾空气动力学发展的历史及其在航空航天飞行器研制中的作用，对现代空气动力学新的发展趋势和新一代航天飞行器研制中可能遇到的关键气动力问题进行探讨和分析，并对今后发展提出看法。
一、空气动力学与航空航天飞行器发展空气动力学是研究空气和其他气体的运动规律以及运动物体与空气相互作用的科学，它是航空航天最重要的科学技术基础之一。
1．空气动力学推动20世纪航空航天事业的发展1903年莱特兄弟研制成功世界上第一架带动力飞机，实现了人类向往已久的飞行梦想。
为了研制这架飞机，他们进行过多次滑翔试验，还为此建造了一座试验段为0.01m2的小型风洞。
正是这些努力，加上综合运用早期的空气动力学知识，最终获得了成功。
20世纪初，建立在理想流体基础上的环量和升力理论以及普朗特提出的边界层理论奠定了低速飞机设计基础，使重于空气的飞行器成为现实。
40年代中期至50年代，可压缩气体动力学理论的迅速发展，以及对超声速流中激波性质的理论研究，特别是跨音速面积积律的发现和后掠翼新概念的提出，帮助人们突破“音障”，实现了跨音速和超音速飞行。
50年代中期，美、苏等国研制成功性能优越的第一代喷气战斗机，如美国的F-86、F-100，苏联的米格-15、米格-19等。
50年代以后，进入超音速空气动力学发展的新时期，第二代性能更为先进的战斗机陆续投入使用，如美国的的F-4、F-104，苏联的米格-21、米格-23，法国的幻影-3等。
1957年苏联发射第一颗地球人造卫星和1961年第一艘载人飞船“东方号”升空，被认为是空间时代的开始。
美、苏两国在战略导弹和航天器发展方面的激烈角逐，促使超音速和高超音速空气动力学得到迅速发展。
两个超级大国都投入巨大力量，致力于发展地面模拟设备，开邻近高超出音速空气动力学和空气热力学的研究。
航天方面的研究重点放在如何克服由于高超音速飞行和再入大气层，严重气动加热所引起的“热障”问题上在钱学森先生倡导下诞生了一门新的学科，即物理力学，为航天器重返大气层奠定了科学基础。
空气动力学知识点
空气动力学知识点空气动力学是研究空气在机体表面运动时产生的力学效应的学科。
空气动力学知识点涵盖了各种与空气流动有关的原理和现象，对于飞机、汽车、火箭等交通工具的设计和性能优化发挥着至关重要的作用。
下面将介绍一些关键的空气动力学知识点。
1. 升力和阻力在空气动力学中，升力和阻力是两个最基本的概念。
升力是指机翼等物体在飞行或运动时受到的垂直向上的力，使得物体能够获得提升力以保持飞行。
阻力则是运动物体在空气中受到的阻碍力，是飞机、汽车等移动物体必须克服的力量。
升力和阻力的大小和方向取决于空气流动的速度、密度、物体的形状等因素。
2. 卡门涡街卡门涡街是指当流体经过物体时，流体两侧产生的交错的涡流。
这些涡流会在物体后部形成一串被称为卡门涡街的旋涡，对物体的性能和稳定性产生重要影响。
减小或控制卡门涡街可以提高交通工具的效率和性能。
3. 翼型翼型是用于生产升力的构件，通常指飞机机翼的截面。
不同的翼型设计会影响飞机的飞行稳定性、速度、升力和阻力等性能。
常见的翼型包括对称翼型、半对称翼型和非对称翼型，每种翼型都有其独特的特点和应用场景。
4. 涡流涡流是液体或气体在流动中形成的旋涡状结构。
在空气动力学中，涡流是产生升力和阻力的重要因素，也是风洞模拟实验和流场仿真计算的关键对象。
通过研究和控制涡流的生成和演变，可以改善飞机、汽车等交通工具的性能。
5. 马赫数马赫数是描述物体相对于音速运动速度的无量纲指标。
当飞机等物体的速度达到音速时，其马赫数为1，称为音速。
超音速则指马赫数大于1的速度范围，而亚音速则指马赫数小于1的速度范围。
马赫数的变化会对空气动力学效应和物体性能产生显著影响。
以上是关于空气动力学的一些基本知识点，这些知识点涵盖了空气流动、升力产生、阻力控制等领域的重要内容。
深入理解和掌握空气动力学知识，对于设计和优化交通工具的性能至关重要。
希望以上内容能为您对空气动力学有更深入的了解提供帮助。
汽车中空气动力学
汽车行驶时，如何避免浮升力的作用？ 对付浮升力主要的方法是使用车底扰流板，如我们熟知的“文式管” （Ferrari 360和ENZO屁股下面的喇叭管道）。现在只有Ferrari 360M 、 Lotus Esprit 、Nissan Skyline GT－R还使用这样的装臵。 另一个主流的做法是在车头下方加装一个坚固而比车头略长的阻流器。就是 我们熟称的气坝。它可以将气流引导至引擎盖上，或者穿越水箱格栅和 流过车身。至于车尾部分，其课题主要是如何令气流顺畅的流过车身， 车尾的气流也要尽量保持整齐。
汽车中的空气动力学
更新时间：2动力学 空气动力学在汽车改装中 改善汽车空气动力学
汽车上的空气动力学
车身造型中的大学问——汽车风阻
微型摄像头取代后视镜
问答：
汽车行进时都受到哪些阻力？ 汽车行进时所受阻力大致可分为机械阻力和空气阻力两部分。随着车速的提 高，空气阻力所占比例迅速提高。以美国60年代生产的典型轿车为例,车 速为每小时60公里时,空气阻力为行驶总阻力的33%～40%;车速为每小时 100公里时,空气阻力为行驶总阻力的50%～60%；车速为每小时150公里时, 空气阻力为行驶总阻力的70%～75%。
在处理高速空气动力学问题时，采用哪种耦合求解器效果更好？为什么？ 高速空气动力学问题也属于可压缩流动的范围，在Fluent中原则上，使用 Pressure-based和Density-based求解器都可以。从历史根源上讲，基于压力的求 解器以前主要用于不可压缩流动和微可压缩流动，而基于密度的求解器用于 高速可压缩流动。现在，两种求解器都适用于从不可压到高速可压的很大范 围流动，但总的来讲，当计算高速可压缩流动时，基于密度的求解器还是比 基于压力的求解器更有优势，因此，在使用Fluent计算高速可压缩流动时，从 理论上来讲使用Density-based求解器应该会更合适。 也许有很多人对于Pressure-based和Density-based求解器的原理的认识还不够深， 在此稍微介绍一下： 求解Navier-Stokes方程的计算方法根据连续方程的处理方式，可以分为密度法和 压力法。不论是密度法还是压力法，速度场都是由动量方程所控制，差别在 压力场的确定方法上，密度法是通过连续方程确定密度，再由状态方程换算 压力，这一方法多用于可压缩流动，作一定修正后，也可用于低马赫数流动， 而这一流动已被看做不可压缩流，但此时精度及鲁棒性都有所降低，对于湍 流甚至会失去有效性。密度法的弱点正好是压力法的长处，压力法是通过压 力方程或压力修正方程来获得压力场，由于其鲁棒性及有效性，得以广泛使 用。该方法原是作为求解不可压缩流动发展起来的，但也可以推广到可压缩 流的计算上。这两种方法在求解思路上也有所不同，密度法多用同步求解各 变量，而压力法则常为顺序求解各变量。显然顺序求解的一个优势是便于补 充方程而无需修改算法程序。 /ap/bd/Q/qv/id/11194
空气动力学基础(刘沛清,2017,12)
当气流迎着翅膀（翼型）吹过时，会因为上下翼面产生 的气流速度差而产生压力差，通常是上翼面的空气流速快、 压力小，下翼面的气流速度慢、压力大，从而将翅膀向上托 起，产生升力。
1738年瑞士科学家伯努利给出理想流体能量方程式，建立了空气压强与速度 之间的定量关系，为正确认识升力提供了理论基础，特别是由该能量定理得 出，翼型上的升力大小不仅与下翼面作用的空气顶托力有关，也与上翼面的 吸力有关，后来的风洞试验证实：这个上翼面吸力约占翼型总升力的60%～ 70%。
(3）李林达尔，O.（18481896）
德国工程师和滑翔飞行家李 林达尔，是一位制造与实践固定 翼滑翔机航空先驱之一。李林达 尔制造了多架单翼或双翼滑翔机， 并在柏林附近试飞2000多次， 积累了丰富资料，虽然其最终未 能实现动力飞行，但他所积累的 大量飞行经验和数据，为日后美 国莱特兄弟实现动力飞行提供了 许多宝贵教益。 1889年,著《鸟类飞行──航空 基础》。
莱特兄弟 奥维尔（1871—1948） 维尔伯（1867—1912）
世人一般认为他们于 1903年12月17日首次完成 完全受控制、附机载外部 动力、机体比空气浮力大、 可持续飞行，并因此将发 明了世界上第一架实用飞 机的成就归功给他们。
1903年12月17日，世界 上第一架有动力、可操纵的 飞机由美国莱特兄弟驾驶试 飞成功。飞行者1号的起飞重 量仅仅360kg，勉强能载一个 人飞离地面，速度比汽车还 慢，只有48km/h，最成功一 次飞行只有59秒，距离260m。 但是就这么一架不起眼的小 飞机翻开了人类航空史上的 重要一页，从此人类实现了 带动力飞行的固定翼飞机， 让人类进入航空文明时代。
（1） 达·芬奇
15世纪70年代，达芬奇画出的一种由飞行员 自己提供动力的飞行器，并称这种飞行器为 “扑翼飞机”。
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空气动力学的理论基础及实用方法空气动力学是研究气体在流体力学背景下的运动和力学行为的学科。
他是现代航空、天空科学中发展最快、知识量最大的分支之一，伴随着人类勇攀高空和深空的追求，空气动力学的发展也变得格外重要。
本文将从空气动力学的理论基础和实用方法两方面进行探讨。
一、理论基础
1. Reynold数
海洋的浪花漫过了沙滩，空气在空中飘荡。
然而，对于运动的物体而言，无论它们是飞机或者是汽车，来自气流的阻力就会阻碍物体前进的速度。
对于能够调整它们的运动方式，减少阻力的机制而言，Reynold数就是理论基础中的重要参数。
Reynold数可以看作是“速度除以粘性系数的比值”，用来判断气体是否可以被视为一层不可压缩的物质。
具体而言，如果Reynold数小于2100，那么气流被视为层流；如果Reynold数大于
4000，那么气流被视为湍流；如果在2100和4000之间，则转换区域并不稳定，需要使用难度更大的数学公式进行分析。
2. 化学反应
在空气动力学中，化学反应同样是理论基础的重要组成部分。
一些创新的技术，如喷水等操作，都是基于控制化学反应过程来实现的。
例如，在涡流喷气发动机（turbofan）中，高压气流经过燃料喷嘴时，与燃料相互作用，产生高能量燃烧反应，从而提供大量的推力。
但是，要了解从燃料到推力的过程涉及到大量的化学和物理学知识，这些学科相互依存，彼此交错。
因此，在工程领域中实际应用这些基础理论时，必须进行准确和细致的计算和论证。
3. Navier-Stokes方程
Navier-Stokes方程是描述气动力学现象的一组完整的方程式。
它是描述空气运动、热、质量传递和化学反应的主要背景，几乎出现在每个研究气动力学问题的工程师和科学家的笔记本上。
Navier-Stokes方程的组合与运动物体的物理性质相互交互，为研
究气动力学现象打下了基础。
二、实用方法
1. 试验
试验是空气动力学研究的中心，通过对实际的研究对象进行测
量和分析，来验证和完善理论预测。
在飞机和汽车制造领域，试
验既可以是基础性的，也可以是应用性的。
例如，试验可以验证
和完善实验模型，以便更好地模拟实际应用环境中的流体动力学
行为。
2. 计算模拟
在进行空气动力学研究时，计算模拟也是一种非常重要的方法。
通过建立数值模型，并将其与实际现象进行比较，可以更好地了
解流体动力学的规律。
在最新的计算机技术帮助下，可以模拟更
为复杂的系统，解决较早时期的计算模拟所无法解决甚至无法了
解的问题。
3. 先进材料设计
同时，计算模拟也可以支持新型材料的设计。
例如，在研究宇航、航空和汽车制造中，新型材料比传统材料更轻，更耐用，更流体动力学。
能够将它应用于生产中30-40%的部件。
通过将材料与流动计算程序相结合，可以实现更高效的流动控制和降阻。
这使得飞机和汽车更加环保，降低了环境污染的概率。
结论
通过对空气动力学的理论基础和实用方法进行探讨，我们可以看到，空气动力学在科技发展中的重要性和高度紧迫性。
在依靠理论基础的基础上，实用方法又充当了支持性的角色，这就是科技发展的核心。
随着科学技术的不断深入，空气动力学的研究也会更为深入。
未来的发展趋势必将探索和研究空气动力学的不同方面，逐步实现更加高效、更加清洁和更加安全的航空技术。