| 词条 | 空气动力学 |
| 释义 | 1 力学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。 ◎ 发展简史最早对空气动力学的研究，可以追溯到人类对鸟或弹丸在飞行时的受力和力的作用方式的种种猜测。17世纪后期，荷兰物理学家惠更斯首先估算出物体在空气中运动的阻力；1726年，牛顿应用力学原理和演绎方法得出：在空气中运动的物体所受的力，正比于物体运动速度的平方和物体的特征面积以及空气的密度。这一工作可以看作是空气动力学经典理论的开始。1755年，数学家欧拉得出了描述无粘性流体运动的微分方程，即欧拉方程。这些微分形式的动力学方程在特定条件下可以积分，得出很有实用价值的结果。19世纪上半叶，法国的纳维和英国的斯托克斯提出了描述粘性不可压缩流体动量守恒的运动方程，后称为纳维-斯托克斯方程。 到19世纪末，经典流体力学的基础已经形成。20世纪以来，随着航空事业的迅速发展，空气动力学便从流体力学中发展出来并形成力学的一个新的分支。 航空要解决的首要问题是如何获得飞行器所需要的举力、减小飞行器的阻力和提高它的飞行速度。这就要从理论和实践上研究飞行器与空气相对运动时作用力的产生及其规律。1894年，英国的兰彻斯特首先提出无限翼展机翼或翼型产生举力的环量理论，和有限翼展机翼产生举力的涡旋理论等。但兰彻斯特的想法在当时并未得到广泛重视。 约在1901～1910年间，库塔和儒科夫斯基分别独立地提出了翼型的环量和举力理论，并给出举力理论的数学形式，建立了二维机翼理论。1904年，德国的普朗特发表了著名的低速流动的边界层理论。该理论指出在不同的流动区域中控制方程可有不同的简化形式。 边界层理论极大地推进了空气动力学的发展。普朗特还把有限翼展的三维机翼理论系统化，给出它的数学结果，从而创立了有限翼展机翼的举力线理论。但它不能适用于失速、后掠和小展弦比的情况。1946年美国的琼期提出了小展弦比机翼理论，利用这一理论和边界层理论，可以足够精确地求出机翼上的压力分布和表面摩擦阻力。 近代航空和喷气技术的迅速发展使飞行速度迅猛提高。在高速运动的情况下，必须把流体力学和热力学这两门学科结合起来，才能正确认识和解决高速空气动力学中的问题。1887～1896年间，奥地利科学家马赫在研究弹丸运动扰动的传播时指出：在小于或大于声速的不同流动中，弹丸引起的扰动传播特征是根本不同的。在高速流动中，流动速度与当地声速之比是一个重要的无量纲参数。1929年，德国空气动力学家阿克莱特首先把这个无量纲参数与马赫的名字联系起来，十年后，马赫数这个特征参数在气体动力学中广泛引用。 小扰动在超声速流中传播会叠加起来形成有限量的突跃——激波。在许多实际超声速流动中也存在着激波。气流通过激波流场，参量发生突跃，熵增加而总能量保持不变。 英国科学家兰金在1870年、法国科学家希贡扭在1887年分别独立地建立了气流通过激波所应满足的关系式，为超声速流场的数学处理提供了正确的边界条件。对于薄冀小扰动问题，阿克莱特在1925年提出了二维线化机冀理论，以后又相应地出现了三维机翼的线化理论。这些超声速流的线化理论圆满地解决了流动中小扰动的影响问题。 在飞行速度或流动速度接近声速时，飞行器的气动性能发生急剧变化，阻力突增，升力骤降。飞行器的操纵性和稳定性极度恶化，这就是航空史上著名的声障。大推力发动机的出现冲过了声障，但并没有很好地解决复杂的跨声速流动问题。直至20世纪60年代以后，由于跨声速巡航飞行、机动飞行，以及发展高效率喷气发动机的要求，跨声速流动的研究更加受到重视，并有很大的发展。 远程导弹和人造卫星的研制推动了高超声速空气动力学的发展。在50年代到60年代初，确立了高超声速无粘流理论和气动力的工程计算方法。60年代初，高超声速流动数值计算也有了迅速的发展。通过研究这些现象和规律，发展了高温气体动力学、高速边界层理论和非平衡流动理论等。 由于在高温条件下会引起飞行器表面材料的烧蚀和质量的引射，需要研究高温气体的多相流。空气动力学的发展出现了与多种学科相结合的特点。空气动力学发展的另一个重要方面是实验研究，包括风洞等各种实验设备的发展和实验理论、实验方法、测试技术的发展。世界上第一个风洞是英国的韦纳姆在1871年建成的。到今天适用于各种模拟条件、目的、用途和各种测量方式的风洞已有数十种之多，风洞实验的内容极为广泛。 20世纪70年代以来，激光技术、电子技术和电子计算机的迅速发展，极大地提高了空气动力学的实验水平和计算水平，促进了对高度非线性问题和复杂结构的流动的研究。 除了上述由航空航天事业的发展推进空气动力学的发展之外，60年代以来，由于交通、运输、建筑、气象、环境保护和能源利用等多方面的发展，出现了工业空气动力学等分支学科。 ◎ 研究内容◎ 分类通常所说的空气动力学研究内容是飞机，导弹等飞行器在各种飞行条件下流场中气体的速度、压力和密度等参量的变化规律，飞行器所受的举力和阻力等空气动力及其变化规律，气体介质或气体与飞行器之间所发生的物理化学变化以及传热传质规律等。从这个意义上讲，空气动力学可有两种分类法：首先，根据流体运动的速度范围或飞行器的飞行速度，空气动力学可分为低速空气动力学和高速空气动力学。通常大致以400千米/小时这一速度作为划分的界线。在低速空气动力学中，气体介质可视为不可压缩的，对应的流动称为不可压缩流动。大于这个速度的流动，须考虑气体的压缩性影响和气体热力学特性的变化。这种对应于高速空气动力学的流动称为可压缩流动。 其次，根据流动中是否必须考虑气体介质的粘性，空气动力学又可分为理想空气动力学(或理想气体动力学)和粘性空气动力学。 ◎ 边缘性的分支学科除了上述分类以外，空气动力学中还有一些边缘性的分支学科。例如稀薄气体动力学、高温气体动力学等。 在低速空气动力学中，介质密度变化很小，可视为常数，使用的基本理论是无粘二维和三维的位势流、翼型理论、举力线理论、举力面理论和低速边界层理论等；对于亚声速流动，无粘位势流动服从非线性椭圆型偏微分方程，研究这类流动的主要理论和近似方法有小扰动线化方法，普朗特-格劳厄脱法则、卡门-钱学森公式和速度图法，在粘性流动方面有可压缩边界层理论；对于超声速流动，无粘流动所服从的方程是非线性双曲型偏微分方程。 在超声速流动中，基本的研究内容是压缩波、膨胀波、激波、普朗特-迈耶尔流动、锥型流，等等。主要的理论处理方法有超声速小扰动理论、特征线法和高速边界层理论等。跨声速无粘流动可分外流和内流两大部分，流动变化复杂，流动的控制方程为非线性混合型偏微分方程，从理论上求解困难较大。 高超声速流动的主要特点是高马赫数和大能量，在高超声速流动中，真实气体效应和激波与边界层相互干扰问题变得比较重要。高超声速流动分无粘流动和高超声速粘性流两大方面。 工业空气动力学主要研究在大气边界层中，风同各种结构物和人类活动间的相互作用，以及大气边界层内风的特性、风对建筑物的作用、风引起的质量迁移、风对运输车辆的作用和风能利用，以及低层大气的流动特性和各种颗粒物在大气中的扩散规律，特别是端流扩散的规律，等等。 ◎ 研究方法◎ 理论和实验空气动力学的研究，分理论和实验两个方面。理论和实验研究两者彼此密切结合，相辅相成。理论研究所依据的一般原理有：运动学方面，遵循质量守恒定律；动力学方面，遵循牛顿第二定律；能量转换和传递方面，遵循能量守恒定律；热力学方面，遵循热力学第一和第二定律；介质属性方面，遵循相应的气体状态方程和粘性、导热性的变化规律，等等。 ◎ 实验装备实验研究则是借助实验设备或装置，观察和记录各种流动现象，测量气流同物体的相互作用，发现新的物理特点并从中找出规律性的结果。由于近代高速电子计算机的迅速发展，数值计算在研究复杂流动和受力计算方面起着重要作用，高速电子计算机在实验研究中的作用也日益增大。因此，理论研究、实验研究、数值计算三方面的紧密结合是近代空气动力学研究的主要特征。 ◎ 研究过程空气动力学研究的过程一般是：通过实验和观察，对流动现象和机理进行分析，提出合理的力学模型，根据上述几个方面的物理定律，提出描述流动的基本方程和定解条件；然后根据实验结果，再进一步检验理论分析或数值结果的正确性和适用范围，并提出进一步深入进行实验或理论研究的问题。如此不断反复、广泛而深入地揭示空气动力学问题的本质。 20世纪70年代以来，空气动力学发展较为活跃的领域是湍流、边界层过渡、激波与边界层相互干扰、跨声速流动、涡旋和分离流动、多相流、数值计算和实验测试技术等等。此外，工业空气动力学、环境空气动力学，以及考虑有物理化学变化的气体动力学也有很大的发展。 ◎ 其它力学分支学科静力学、动力学、流体力学、分析力学、运动学、固体力学、材料力学、复合材料力学、流变学、结构力学、弹性力学、塑性力学、爆炸力学、磁流体力学、空气动力学、理性力学、物理力学、天体力学、生物力学、计算力学 ◎ 主要物理学分支物理学概览、力学、热学、光学、声学、电磁学、核物理学、固体物理学 2 图书钱翼稷著◎ 基本资料作 者： 钱翼稷 编著 出 版 社： 北京航天航空大学出版社 出版时间： 2004-9-1 字 数： 622000 页 数： 430 开 本： 16开 I S B N ： 9787810775090 包 装： 平装 定价：43.00 ◎ 内容简介本书对空气动力学作了全面介绍。内容分为两大部分，共12章。 第一部分讲述流体力学与空气动力学的基础理论以及低速空气动力学，共有6章。前4章讲述空气动力学的基础理论。后两章讲述低速空气动力学，内容是低速翼型和低速机翼。 第二部分讲述气体动力学的基础理论以及高速空气动力学，共有6章。包括气体动力学的基础理论，亚、跨、超声速流中的翼型与机翼及其气动特性。最后介绍高超声速流和计算流体动力学（CFD）。 本书的读者对象主要是高等航空院校的本科学生，也可以供涉及流体力学或空气动力学的有关专业学生或从事这方面工作的人员参考。 3 图书陆志良著◎ 基本资料书 名： 空气动力学 作 者：陆志良 出版社： 北京航空航天大学出版社 出版时间： 2009-8-1 ISBN: 9787811248609 开本： 16开 定价： 38.00元 ◎ 内容简介本书为航空航天、兵器、空军等国防院校的本科生《空气动力学》教材。全书共10章，内容分为流体力学基础和飞行器空气动力学，这两部分相对独立但又有机结合。 第1～5章为流体力学与空气动力学的基础部分。主要介绍的是流体力学基础知识、流体运动基本控制方程和基本规律、低速位流理论、高速可压流的基础知识和粘流与边界层基础。 第6～10章为飞行器空气动力学部分。主要介绍的是低速翼型和低速机翼的空气动力特性；亚声速、超声速、跨声速流中的翼型与机冀气动特性及跨声速、高超声速流初步知识；计算流体力学初步知识。 本书供飞行器设计专业本科生使用，也可供涉及流体力学、空气动力学的有关专业学生使用，还可供从事空气动力学相关工作的人员参考。 ◎ 图书目录第1章 流体力学基础知识 1.1 流体力学的基本任务和研究方法 1.1.1 基本任务 1.1.2 研究方法 1.2 流体力学以及空气动力学的发展概述 1.3 流体介质 1.3.1 连续介质假设 1.3.2 流体的压强、密度、温度和速度 1.3.3 气体的状态方程 1.3.4 压缩性、粘性和传热性 1.3.5 流体的模型化 1.4 气动力和力矩 1.4.1 升阻力和力矩 1.4.2 气动力及力矩系数 1.4.3 压力中心 1.5 矢量和积分知识 1.5.1 矢量代数 1.5.2 典型的正交坐标系 1.5.3 标量场和矢量场 1.5.4 标量积和矢量积 1.5.5 标量场的梯度 1.5.6 矢量场的散度 1.5.7 矢量场的旋度 1.5.8 线积分 1.5.9 面积分 1.5.10 体积分 1.5.11 线积分、面积分和体积分之间的关系 1.6 控制体和流体微团 1.6.1 控制体 1.6.2 流体微团 1.6.3 速度散度的物理意义 1.6.4 物质导数 复习思考题 第2章 流体运动基本方程和基本规律 2.1 连续方程 2.2 动量方程 2.3 能量方程 2.4 方程的基本解法 2.4.1 方程的理论解 2.4.2 数值解——计算流体力学 2.5 微团运动分析 2.5.1 流场的迹线、流线 2.5.2 角速度、旋度和角变形率 2.5.3 流函数、速度位以及相互关系 2.6 旋涡运动 2.6.1 涡线、涡管以及旋涡强度 2.6.2 速度环量和斯托克斯定理 2.6.3 毕奥一萨伐尔定理及直线涡的诱导速度 2.6.4 亥姆霍兹旋涡定理 复习思考题 第3章 不可压无粘流 3.1 伯努利方程及应用 3.1.1 无旋流中的积分 3.1.2 有旋流中的积分 3.2 拉普拉斯方程 3.3 拉普拉斯方程的基本解 3.3.1 直匀流 3.3.2 点源 3.3.3 点涡 3.3.4 偶极子 3.4 基本解叠加 …… 第4章 高速可压无粘流 第5章 粘流和边界层流动 第6章 低速翼型的气动特性 第7章 机翼的低速气动特性 第8章 亚声速翼型和机翼的气动特性 第9章 超声速线化理论及跨声速、高超声速流初步 第10章 计算流体力学初步 附录A 常用气动表 附录B 主要符号表 附录C 名人简介 参考文献 4 清华大学出版社图书◎ 空气动力学（上册）◎ 图书信息书名：空气动力学（上册） ISBN：9787302146995 作者：吴子牛等 定价：49.8元 出版日期：2007-4-1 出版社：清华大学出版社 ◎ 图书简介本书涉及空气动力学的经典内容和一些非经典内容。经典内容包括升力产生的无粘与粘性机制，低速翼型与机翼空气动力学，一般亚、跨、超音速空气动力学和粘性流动的一些内容。非经典内容包括非定常空气动力学，高超音速流动及相关技术和大气环境与大气飞行器。除飞行器本身的空气动力学外，还较多介绍了一些其他飞行物包括昆虫所涉及的空气动力学现象。本书兼顾了空气动力学的规范内容和趣味性内容。 本书配套出版教学用电子教案和习题分析与解答。 本书可作为流体力学专业背景的本科生和研究生学习空气动力学的教材，也可供从事相关工作的各类专业人员学习参考。 ◎ 前言1. 空气动力学在航空航天中的重要地位 空气动力学是航空航天最重要的科学技术基础之一。著名空气动力学家吴镇远教授在他1981年的学术论文中提到，从19世纪末开始，预测作用在运动物体上的空气作用力和力矩成为空气动力学研究的主题。正是由于该焦点问题，才使得空气动力学有别于理论流体力学的其他分支。当然，研究流体相对于物体的运动是流体力学的基本问题之一，但在大多数空气动力学应用中，对相对运动的研究不是最终目的，最终目的是揭示这样的机制: 正是流体的运动对物体施加了力和力矩。一般情况下，很难获得描述一般粘性流体运动的方程的解析解。 于是，过去人们尽量绕开粘性流动的细节，寻求一些间接方法获得气动力计算的表达式。例如，在20世纪初，人们把运动物体在空气中所受的升力与绕物体的环量联系起来，建立了升力理论，从而奠定了低速飞机设计基础，使重于空气的飞行器成为现实。 关于空气动力学的发展，2005年由国家自然科学基金委员会数理学部力学处流体力学调研组撰写的“流体力学学科发展调研报告”中，有较为详细的描述。报告这样写道: 20世纪40年代中期至50年代，可压缩空气动力学理论的迅速发展，特别是跨音速面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，使得20世纪50年代中期研制成功了性能优越的第一代战斗机。第二次世界大战期间，军事航空的需求以及导弹武器的出现和投入使用，促使人们向更高的速度冲击。20世纪50年代以后，开始了超音速空气动力学发展的新时期，发展了第二代性能更为先进的战斗机。1957年苏联发射了第一颗人造地球卫星，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。航天方面的重点放在高超音速和再入飞行器的气动力与推进系统问题，特别是如何克服由于高超音速飞行和弹头再入大气层严重气动加热引起的“热障”问题。航空方面的重点则放在了发展高性能作战飞机、超音速客机、垂直短距起落飞机和变后掠翼飞机。这一时期空气动力学研究方面的一项重要成就是“超临界机翼”新概念的提出, 它可以显著提高机翼的临界马赫数。20世纪70年代后，脱体涡流型和非线性涡升力的发现和利用，是空气动力学的又一重要成果，它导致了第三代高机动性战斗机的产生。高超音速空气动力学经历了20世纪70年代的沉寂，进入80年代后出现了复苏。由于军事需求的强力推动，美俄两国都开始加紧研制第四代战斗机和高超音速飞行器以及跨大气层飞行器，其中最有代表性的是1981年美国发射的航天飞机，由此形成了现代空气动力学发展的新时期。目前正在发展的第四代战斗机，将高机动性、敏捷性、超音速巡航能力、高隐形能力、更大的高度/速度范围等诸多优异性能集于一身，对空气动力学、动力推进、电子、控制和材料、工艺等技术提出了更高要求。 2. 空气动力学的生命力 下面介绍的三部分（存在相互部分交叉的）内容很难从单一一本空气动力学专著或教材中全面介绍，经常被当作其他内容单列出来。而传统空气动力学只是这些内容的基础。 (1) 传统空气动力学后续课程内容。高性能飞行器的研制，对空气动力学发展提出了许多具有挑战性的课题，如: 边界层转捩、湍流、大攻角流动分离、旋涡、非定常流、流动控制、增升减阻、喷流干扰与推力转向、气动/电磁隐身、先进气动布局与优化、地面效应、低雷诺数流动与微流体力学、高温气体动力学与气动热防护等。这些复杂流动涉及到高度非定常和非线性，包括物理/化学变化效应引起的时空瞬变流，等等。 (2) 临近空间带来的新空气动力学问题。临近空间(near space)是20～100km的空天过渡区，是航空航天相结合的区域，是21世纪航空航天发展的热点区域。平流层飞艇、高高空无人机、高空气球、高超音速巡航飞行器以及亚轨道飞行器已经引起各国航空航天界的高度重视。平流层飞艇和高高空无人机已经进入样机研制阶段，高超音速巡航飞行器已经列入未来发展规划。在这一区域，将提出一系列新的空气动力学问题，包括超燃冲压发动机内流空气动力学和平流层飞艇空气动力学问题（如柔性体空气动力学问题，升力－浮力一体化设计问题）。对于高超音速巡航飞行器，由于飞行轨道奇特，因此必须考虑空气动力学尤其是稀薄气体动力学与轨道动力学的耦合。 (3) 飞行器以外的空气动力学问题。空气动力学对一系列其他领域，如能源、交通、建筑、环保等关系到21世纪经济和社会可持续发展的领域，同样起着十分重要的作用。例如，可再生能源中的风能利用；地面高速交通关键技术中的减阻、稳定、降噪；大型建筑、桥梁的抗风能力；大气污染和水污染的有效防治等，都存在许多需要空气动力学研究的课题。另外，空气动力学在体育（如球类运动）、自然现象（如森林中的风、雪花、树叶与种子飘落）等方面也有应用。 随着计算机技术的发展以及计算流体力学的日臻完善，人们已经能够用数值方法直接求解飞行器流场。在这样一种大背景下，似乎有这样一种趋向，飞行器的气动力计算已经不再需要太多的空气动力学基础知识。其实，这种争辩不单是对空气动力学，对许多其他学科也是如此。人们会有一些相似的方法批驳这种不需要理论基础的观点。最简单的理由莫过于两条: ①不懂基础会错误地使用软件，不知如何判断结果是否正确； ②最糟糕的是不知如何创新，尤其不知如何发现新问题和解决新问题。其实，作者还想补充一条: ③如果不懂理论基础，面对同样的即使是工程问题，也会因存在盲目性而付出太多的代价，尤其在面对数据、曲线与云图时，感觉不到规律存在，因而毫无乐趣。 3. 空气动力学的学科定义 空气动力学作为学术研究内容，属于流体力学的一个分支。但作为在航天航空领域的应用，空气动力学的地位甚至超过流体力学本身。人们常说，空气动力学是飞行器设计的先行官，是航空航天领域的最重要的专业之一。按学科方向分类，空气动力学、气体动力学、粘性流体力学、计算流体力学等都是流体力学的内容。任何一本书或教材都力求全面，导致了它们越来越交叉，越来越相互覆盖，以致内容之间的区分越来越模糊。其实，如果我们认定它们之间有共同的基础即流体力学基本知识，那么它们之间的区别就会明显一些，混淆就会少一些。当然无论如何，它们之间有覆盖。比如说，有些内容既属于空气动力学问题，又属于粘性问题，因而就可能在两种书中都出现。但下面的区分还是很严格的: (1) 空气动力学是研究空气运动规律及其与物体发生作用的科学，既包含不可压缩（低速）空气动力学，也包含可压缩（高速）空气动力学。 (2) 气体动力学是研究可压缩气体运动规律的。这里的气体可以是空气，也可以是其他气体，但必须是高速即可压缩的。 (3) 粘性流体力学研究考虑粘性作用的流体力学问题，主要凸现粘性作用，如附面层、 粘性导致的涡运动、流动稳定性等。 (4) 计算流体力学则主要进行计算方法的研究。它是针对不可压缩、可压缩、粘流和无粘流的偏微分方程的计算。 4. 本书的目的与内容安排 很明显，如果我们在学习以上几门课之前，假设它们共性的东西都学过，那么再学这几门课就方便多了。为此，我们假设读者已经学过流体力学基本知识，需要学习空气动力学。这样就可以集中空气动力学的本质的、传统的内容，这就是编写本书的目的。如果读者事先没有学习过基本的流体力学知识，可以一边学习本书的内容，一边自学相关的流体力学基础知识。 空气动力学也存在基础的内容和侧重不同方向的专门内容。本书主要介绍空气动力学的基础内容，但也涉及一些比较深奥的内容和趣味内容，供读者自学。 本书主要是针对学过一些流体力学知识（如流体力学基本方程，无旋流理论，可压缩等熵流动，正激波，不可压缩附面层，等等）的读者编写的，分为上下两册，共七章及四个总附录。其中前四章为上册内容，余下部分安排在下册。此外，还配套出版电子教案供教师使用及编写了一册《习题分析与解答》供读者参考。具体内容安排如下。 首先，着重介绍空气动力学最经典的内容——儒可夫斯基升力定理。我们采用复变函数方法来描述不可压缩无旋流升力产生的机制。这对没有学过复变函数的读者来说稍微有点困难，但作为空气动力学最核心的内容之一，使用复变函数可以使内容更严谨，因而是必要的。因此未学过复变函数的读者务必自学一些这方面的知识。另外，第1章也介绍升力产生的粘性机制，主要应用对象是球类运动。 其次，机翼和翼型是飞行器产生升力的部件，是空气动力学的核心对象之一。低速翼型与机翼的空气动力学理论，构成了整个飞行器空气动力学的基础。翼型与机翼低速空气动力学，是第2章要介绍的内容。 可压缩空气动力学包括亚音速空气动力学、超音速空气动力学和跨音速空气动力学，涉及的内容很多。需要了解可压缩流描述的基本方法，以及超音速流、跨音速流和亚音速流之间的区别。这是第3章介绍的内容。 本书第4章介绍与空气动力学相关的粘性流体力学知识。读者可能从不同途径，如流体力学基础或专门的粘流课程，已经学习过一些粘性流体力学知识，但该章介绍的粘流知识可能更贴近飞行器空气动力学的需要。 我们单独用一章来介绍运动物体与非定常空气动力学的内容。带旋转与加速的物体引起的流动，是现代空气动力学关注的重要内容。第5章介绍部分这方面的知识，虽然不够全面，但至少可以看到与定常空气动力学的区别。另外，该章也介绍运动结构（如激波膨胀波）的理论，以及复杂运动非定常粘性升力机制（包括微型鸟类与昆虫产生升力的机制）。 高超音速技术是受到国内外航空航天领域广泛关注的技术。高超音速流动与一般流动存在本质区别，因此有必要单独作为一章（第6章）介绍。 另外，学完空气动力学后，应该对大气环境与相关飞行器的知识有所了解，对空气动力学的应用范围有所了解。这样可以进一步理解所学知识的重要性以及体会不足，从而增强进一步获取空气动力学知识的决心。为此，在第7章介绍大气环境和相关飞行器的知识，包括飞行器气动部件作用、飞行器设计以及飞行器和昆虫的大量有用数据。 在可压缩流尤其是高超音速流理论中，大量用到热力学、统计热力学以及动力论的一些基础知识。这些内容在总附录A中给出。 空气动力学主要是针对飞行器研究发展起来的。自然、建筑、体育、生物等领域也涉及不少空气动力学现象，飞行器以外的空气动力学现象趣味性可能更强。在总附录B中介绍空气动力学尽可能多的应用范围，供读者参考。 风洞是空气动力学的重要研究工具，在总附录C中，对风洞作了简介。 随着航空航天技术的发展，飞艇特别是高空飞艇越来越受到人们的关注。本书将用一章的篇幅集中介绍飞艇的空气动力学，以附录D的形式作为全书的结尾。5. 编写原则说明 从传统上看，编书有三种目的。第一种总是针对成熟内容讲述基本原理，对象主要是没有系统学习过相关内容的读者，属于教材型。第二种是为了讲述最新研究成果，尤其是作者的成果，属于专著类型。第三种是为了实用，相关参数、数据、图表列得详细和规范，可以为设计部门使用，属于手册型。一般要求对第一种采用演绎思维编写；对第三种采用归纳方式编写；对第二种，一般采用以点带线、以线带面的发散方式编写。 然而，现在对学生的培养强调厚基础与宽口径，学科之间也强调交叉的重要性。因此，对于像空气动力学这样的重要方向，为了满足读者可能存在的复合需求，我们以演绎方式为主，但涉及到应用时，适当采用一些归纳，而涉及到相关知识或最新成果时，适当采用发散模式。 空气动力学相对于流体力学基础，除了必要的严格的数学演绎外，更需要粗线条的推理。这些粗线条的推理建立在对实验结果的归纳基础之上。另外，我们在不少地方会穿插一些具有实际意义的相关内容，这些相关内容可能超出所在章节的知识范围。穿插的内容可能与仿生流体力学、稀薄气体动力学和飞行器设计等相关。只有密切与相关知识进行接口，才能正确地理解每一部分内容的使用范围。 从不同资料来源摘录的知识，尤其是数学公式，可能存在一些印刷或其他错误，我们力求将许多理论重新推导一遍，以尽量减少错误。我们在一些非原始文献上摘取资料、重新推导时，经常发现无法得出资料给的结果，这迫使我们寻找更原始的文献。这导致两方面的问题。首先，许多古老的文献很难找到，重新推导耗费了大量时间。其次，即使找到了原始文献，也因不同时代习惯不一样，统一起来很困难。有的原始文献也存在一些错误。例如第5章介绍的旋转椭圆问题的受力分析，最原始的文献甚至给出了物体所受的力与环量变化率相关的结论。为了更正这些错误，我们不得不大量补充相关推导，因此使得本书越来越厚。补充相关内容并进行重新推导，重复的或新导致的错误在所难免，希望能得到读者的指正，以便再版时及时修正。在力求将尽可能多的论述给出足够详细推导的同时，也保留一些需要太多数学基础而无法给出细节的例外。如果这样，我们尽量给出原始参考文献，如果没有来源，则以习题形式留给读者。 6. 资料来源说明 由于国内外有了不少空气动力学教材，所以重新写教材，很难做到比已有教材或专著更好。为此，我们在保持整体思路有取舍的同时，尽量吸纳一些整理得非常好的材料。这样，部分段落的材料，直接来自于某些现成的教科书。这些让我们得益的教科书或专著是: 徐华舫的《空气动力学》，童秉纲、 孔祥言、邓国华编写的《气体动力学》，张兆顺与崔桂香编写的《流体力学》，陈再新、刘福长、龚定一、周鼎义编写的《飞行器空气动力学》，瞿章华、刘伟、曾明、柳军编著的《高超声速空气动力学》，黄志澄编写的《高超声速飞行器空气动力学》，Anderson的《空气动力学基础》以及《高超音速与高温气体动力学》，等等。此外采用了一些参考书上的习题或例题，其中第3章大量采用了童秉纲、 孔祥言、邓国华编写的《气体动力学》中的习题。还有不少其他参考书我们也从中得益不少，这里无法一一列举。由于电子资源很丰富，我们有不少介绍性材料来自一些网站。由于网站内容没有列出参考文献，因此很难保证这些内容是否直接由其他文献转抄过来。也有这样的情况，我们在某一时段撰写内容时，可能从网站上获得了一些介绍性资料尤其是图片，但在给参考文献时，可能找不回网站地址。由于这些原因，可能某些资料应该出现在一些专著中我们没有看到，而被误认为是网站材料，导致正确的资料没有被引用。还可能存在这样的情况，在编写初期，我们一直在参考一些文献撰写某些内容，在当时没有列举参考文献，在最后列参考文献时，某些参考文献存在被遗忘的可能性。由于内容十分多，所以这种遗忘在所难免。 由于这些原因，我们无法保证文献或资料来源引用会达到完全准确无误，虽然我们尽量争取做到这样。如果相关作者发现存在这种疏漏，希望及时指正，以便再版时补上。 在本书各章节中，有一些具体内容需要引用出处，此时我们按引用顺序列在该章的末尾。但也有一些参考书或文献被大量参考，此时列在本书总的参考文献中。但两类参考文献的区别有时也不是绝对严格。总的来说，列在章末的文献，主要涉及的内容是: ①公式的推导不适合放在本书中，所以直接给出来源; ②某些局部介绍性内容在摘录时，在文献的基础上改动不大，列举文献表明是文献作者的思路; ③某些比较新的知识。 除了利用已有资料外，我们也编写了不少自己的研究内容，这些新编内容来自于我们的科研成果。 7. 致谢与本书作者说明 在本书撰写过程中，我陆续将一些零散初稿或全稿发给或寄送给部分空气动力学家或流体力学专家。国家CFD实验室张涵信院士、航天部十一院崔尔杰院士、科学院研究生院童秉纲院士、航空601所李天院士、清华大学张兆顺教授、许春晓副教授、北京航空航天大学孙茂教授、国家CFD实验室叶友达研究员等阅读了该书初稿并及时提出了宝贵意见或鼓励。北京航空航天大学武哲教授在初稿修改过程中，将全书通读一遍，并提供了第7章第5节（飞行器隐身设计），让我深受感动。美国田纳西大学吴镇远教授看了本书部分初稿后，充分肯定该书的风格。在编写本书过程中，北京大学吴介之教授也一直非常关注并且给予支持。 我的学生庄礼深除了参与部分材料的录入外，还参与编写了本书6.5.3节,田中伟撰写了部分飞艇空气动力学内容，王晓欣提供了本书介绍的升力定理的证明，并撰写了部分复变函数内容。在此一并表示感谢。 吴子牛 2006年8月1日 ◎ 目录第1章低速运动物体升力产生机制1 1.1引言2 1.1.1力与升力2 1.1.2流体力学基本方程的来源与分类5 1.1.3一些重要的历史事件9 1.1.4部分杰出空气动力学家介绍13 1.2复势函数与勃拉休斯定理21 1.2.1复势函数21 1.2.2勃拉休斯定理23 1.3保角变换26 1.3.1保角变换及其性质26 1.3.2两平面之间的速度关系与环量关系29 1.3.3几种特殊变换与特殊流动，带攻角的流动，绕角的流动30 1.4儒可夫斯基翼型流动36 1.4.1儒可夫斯基对称翼型36 1.4.2一般儒可夫斯基翼型38 1.5库塔条件与计算升力的数学理论39 1.5.1库塔条件39 1.5.2环量的确定43 1.5.3儒可夫斯基升力定理44 1.5.4绕平板与儒可夫斯基翼型的力47 1.5.5儒可夫斯基翼型的力矩49 1.5.6最大升力系数50 1.6固壁干扰与镜像法, 多点涡圆柱绕流52 1.6.1直壁影响52 1.6.2圆壁的干扰53 1.6.3风洞实验的洞壁修正55 1.6.4多点涡圆柱绕流57 1.7升力产生机制的进一步描述59 1.7.1概述59 1.7.2升力产生机制的常见解释61 1.7.3升力产生机制的总结63 1.8升力产生的粘性机制与球类运动空气动力学64 1.8.1无分离与有分离圆柱或圆球的压力分布65 1.8.2马格努斯效应与球类运动69 1.8.3非旋转效应76 1.9鸟类与昆虫飞行升力机制简介79 1.9.1翱翔（滑翔）79 1.9.2低频简单扑翼80 1.9.3高频复杂扑翼82 附录Ⅰ复变函数相关知识84 Ⅰ.1复变量基本定义与基本运算公式84 Ⅰ.2解析函数85 Ⅰ.3极值与留数定理86 Ⅰ.4多极点留数的简化87 Ⅰ.5柯西公式88 附录ⅡSchwarz?Christoffel变换90 Ⅱ.1Schwarz?Christoffel变换与定理90 Ⅱ.2Schwarz?Christoffel变换的若干应用92 Ⅱ.3昆虫问题95 本章习题100 本章参考文献105 第2章低速翼型与机翼流动107 2.1翼型的几何定义108 2.2气动参数定义111 2.2.1升力与阻力，升阻比111 2.2.2力矩，压力中心，焦点113 2.2.3力矩在飞行器控制中的意义118 2.3薄翼理论119 2.3.1基本思想119 2.3.2薄翼理论基本方程的求解122 2.3.3薄翼的气动特性123 2.4厚翼处理： 面涡法127 2.5机翼的几何特征、升力线理论与气动特性129 2.5.1机翼的几何形状与气动参数129 2.5.2定性分析133 2.5.3升力线理论135 2.5.4升力面理论与涡格法149 2.5.5地面效应157 附录Ⅲ旋涡的若干概念与性质158 附录Ⅳ毕奥?萨伐尔定律及其应用160 附录Ⅴ定积分的证明162 附录Ⅵ各种机翼的低速气动特性分析163 Ⅵ.1大展弦比机翼的失速特性163 Ⅵ.2后掠翼的气动特性164 Ⅵ.3小展弦比机翼的气动特性与涡升力167 本章习题169 本章参考文献172 第3章高速空气动力学173 3.1可压缩流动与一维定常流动理论173 3.1.1可压缩流动概述173 3.1.2三障现象175 3.1.3激波与激波厚度178 3.1.4绝热流动与非绝热流动181 3.1.5等熵流动190 3.1.6小扰动、影响区域、马赫角与马赫锥192 3.1.7正激波关系式193 3.1.8一维定常流动理论197 3.2高速流动的小扰动理论210 3.2.1理想等熵定常流动的基本方程211 3.2.2小扰动基本方程214 3.2.3线化的物面边界条件217 3.2.4线化压力系数218 3.2.5阿克莱经典问题，波阻219 3.2.6滑移线不稳定分析224 3.2.7亚音速线化流动的相似法则228 3.2.8超音速二维机翼的线化解236 3.2.9超音速气流与亚音速气流的本质区别243 3.3超音速流动243 3.3.1特征线理论244 3.3.2传统膨胀波理论254 3.3.3斜激波262 3.3.4超音速翼型与机翼流动270 3.4跨音速流动277 3.4.1临界马赫数与临界压力278 3.4.2机翼绕流图画，极限特征线279 3.4.3跨音速相似律283 3.4.4超临界翼型286 3.4.5跨音速面积律289 3.4.6速度图法292 3.4.7卡门?钱学森公式296 本章习题301 本章参考文献309 第4章空气动力学中的粘性流动基础310 4.1粘性流动基本方程的各种形式讨论313 4.1.1牛顿本构关系的两种推导313 4.1.2N?S方程的多样性318 4.1.3高温混合气体能量方程，组元守恒方程，反应热的物理意义322 4.1.4高温混合气体方程组的求解过程326 4.1.5平衡流、非平衡流与冻结流328 4.2不可压流动边界层基本方程及其求解332 4.2.1边界层基本方程与勃拉休斯解333 4.2.2温度边界层方程与求解337 4.3与边界层流动相关的基本概念340 4.3.1边界层厚度与无粘流理论的边界层修正340 4.3.2边界层分离342 4.4可压缩与高超音速边界层基本方程与求解346 4.4.1可压缩与高超音速边界层基本方程347 4.4.2可压缩与高超音速边界层基本方程相似性变换348 4.4.3可压缩平板边界层绕流相似性解352 4.4.4驻点绕流相似性解353 4.4.5可压缩边界层能量方程的克罗柯?布赛曼解356 4.4.6绝热壁的恢复温度与复温因子357 4.5有化学反应高速边界层流动方程及相似性解359 4.5.1基本方程359 4.5.2边界条件363 4.5.3相似性解364 4.6湍流及湍流模拟概述367 4.6.1转捩与稳定性的基本概念367 4.6.2湍流特征376 4.6.3光滑壁面湍流边界层的结构379 4.6.4湍流统计平均方法382 4.6.5雷诺平均方法、湍流半经验理论与最简单的湍流模型383 4.6.6湍流代数模型与二阶矩模型387 4.6.7转捩/湍流模型394 4.6.8湍流直接模拟与大涡模拟397 4.7升阻力、升阻比与气动热的估算404 4.7.1摩擦系数与换热系数404 4.7.2翼型与机翼的升阻比估算409 4.7.3气动热计算公式414 4.7.4驻点热流的进一步讨论与计算公式应用419 附录Ⅶ分子粘性系数、热传导系数和扩散系数423 Ⅶ.1分子粘性系数423 Ⅶ.2热传导系数425 Ⅶ.3扩散系数426 Ⅶ.4总热传导系数与平衡普朗特数429 本章习题430 本章参考文献435 ◎ 空气动力学（下册）◎ 图书信息书名：空气动力学（下册） ISBN：9787302167440 作者：吴子牛、王兵、周睿 定价：69.8元 出版日期：2008-4-1 出版社：清华大学出版社 ◎ 图书简介本书分为上、下两册，涉及空气动力学的经典内容和一些非经典内容。经典内容包括升力产生的无粘与粘性机制，低速翼型与机翼空气动力学，一般亚、跨、超音速空气动力学和粘性流动的一些内容。非经典内容包括非定常空气动力学，高超音速流动及相关技术和大气环境与大气飞行器。除飞行器本身的空气动力学外，还较多地介绍了一些其他飞行物包括昆虫所涉及的空气动力学现象。本书兼顾了空气动力学的规范内容和趣味性内容。 本书配套出版了教学用电子教案和习题分析与解答。 本书可作为流体力学专业背景的本科生和研究生学习空气动力学的教材，也可供从事相关工作的各类专业人员学习参考。 ◎ 前言1. 空气动力学在航空航天中的重要地位 空气动力学是航空航天最重要的科学技术基础之一。著名空气动力学家吴镇远教授在他1981年的学术论文中提到，从19世纪末开始，预测作用在运动物体上的空气作用力和力矩成为空气动力学研究的主题。正是由于该焦点问题，才使得空气动力学有别于理论流体力学的其他分支。当然，研究流体相对于物体的运动是流体力学的基本问题之一，但在大多数空气动力学应用中，对相对运动的研究不是最终目的，最终目的是揭示这样的机制: 正是流体的运动对物体施加了力和力矩。一般情况下，很难获得描述一般粘性流体运动的方程的解析解。 于是，过去人们尽量绕开粘性流动的细节，寻求一些间接方法获得气动力计算的表达式。例如，在20世纪初，人们把运动物体在空气中所受的升力与绕物体的环量联系起来，建立了升力理论，从而奠定了低速飞机设计基础，使重于空气的飞行器成为现实。 关于空气动力学的发展，2005年由国家自然科学基金委员会数理学部力学处流体力学调研组撰写的“流体力学学科发展调研报告”中，有较为详细的描述。报告这样写道: 20世纪40年代中期至50年代，可压缩空气动力学理论的迅速发展，特别是跨音速面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，使得20世纪50年代中期研制成功了性能优越的第一代战斗机。第二次世界大战期间，军事航空的需求以及导弹武器的出现和投入使用，促使人们向更高的速度冲击。20世纪50年代以后，开始了超音速空气动力学发展的新时期，发展了第二代性能更为先进的战斗机。1957年苏联发射了第一颗人造地球卫星，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。航天方面的重点放在高超音速和再入飞行器的气动力与推进系统问题，特别是如何克服由于高超音速飞行和弹头再入大气层严重气动加热引起的“热障”问题。航空方面的重点则放在了发展高性能作战飞机、超音速客机、垂直短距起落飞机和变后掠翼飞机。这一时期空气动力学研究方面的一项重要成就是“超临界机翼”新概念的提出, 它可以显著提高机翼的临界马赫数。20世纪70年代后，脱体涡流型和非线性涡升力的发现和利用，是空气动力学的又一重要成果，它导致了第三代高机动性战斗机的产生。高超音速空气动力学经历了20世纪70年代的沉寂，进入80年代后出现了复苏。由于军事需求的强力推动，美、俄两国都开始加紧研制第四代战斗机和高超音速飞行器以及跨大气层飞行器，其中最有代表性的是1981年美国发射的航天飞机，由此形成了现代空气动力学发展的新时期。目前正在发展的第四代战斗机，将高机动性、敏捷性、超音速巡航能力、高隐形能力、更大的高度/速度范围等诸多优异性能集于一身，对空气动力学、动力推进、电子、控制和材料、工艺等技术提出了更高要求。 2. 空气动力学的生命力 下面介绍的三部分（存在相互部分交叉的）内容很难从单一一本空气动力学专著或教材中全面介绍，经常被当作其他内容单列出来。而传统空气动力学只是这些内容的基础。 (1) 传统空气动力学的后续课程内容。高性能飞行器的研制，对空气动力学发展提出了许多具有挑战性的课题，如: 边界层转捩、湍流、大攻角流动分离、旋涡、非定常流、流动控制、增升减阻、喷流干扰与推力转向、气动/电磁隐身、先进气动布局与优化、地面效应、低雷诺数流动与微流体力学、高温气体动力学与气动热防护等。这些复杂流动涉及高度非定常和非线性问题，包括物理/化学变化效应引起的时空瞬变流，等等。 (2) 临近空间带来的新空气动力学问题。临近空间(near space)是20～100?km的空天过渡区，是航空航天相结合的区域，是21世纪航空航天发展的热点区域。平流层飞艇、高高空无人机、高空气球、高超音速巡航飞行器以及亚轨道飞行器已经引起各国航空航天界的高度重视。平流层飞艇和高高空无人机已经进入样机研制阶段，高超音速巡航飞行器已经列入未来发展规划。在这一区域，将提出一系列新的空气动力学问题，包括超燃冲压发动机内流空气动力学和平流层飞艇空气动力学问题（如柔性体空气动力学问题，升力-浮力一体化设计问题）。对于高超音速巡航飞行器，由于飞行轨道奇特，因此必须考虑空气动力学尤其是稀薄气体动力学与轨道动力学的耦合。 (3) 飞行器以外的空气动力学问题。空气动力学对一系列其他领域，如能源、交通、建筑、环保等关系到21世纪经济和社会可持续发展的领域，同样起着十分重要的作用。例如，可再生能源中的风能利用；地面高速交通关键技术中的减阻、稳定、降噪；大型建筑、桥梁的抗风能力；大气污染和水污染的有效防治等，都存在许多需要空气动力学研究的课题。另外，空气动力学在体育（如球类运动）、自然现象（如森林中的风、雪花、树叶与种子飘落）等方面也有应用。 随着计算机技术的发展以及计算流体力学的日臻完善，人们已经能够用数值方法直接求解飞行器流场。在这样一种大背景下，似乎有这样一种趋向，飞行器的气动力计算已经不再需要太多的空气动力学基础知识。其实，这种争辩不单是对空气动力学，对许多其他学科也是如此。人们会有一些相似的方法批驳这种不需要理论基础的观点。最简单的理由莫过于两条: ①不懂基础会错误地使用软件，不知如何判断结果是否正确； ②最糟糕的是不知如何创新，尤其不知如何发现新问题和解决新问题。其实，作者还想补充一条: ③如果不懂理论基础，面对同样的即使是工程问题，也会因存在盲目性而付出太多的代价，尤其在面对数据、曲线与云图时，感觉不到规律存在，因而毫无深入探究的乐趣。 3. 空气动力学的学科定义 空气动力学作为学术研究内容，属于流体力学的一个分支。但作为在航天航空领域的应用，空气动力学的地位甚至超过流体力学本身。人们常说，空气动力学是飞行器设计的先行官，是航空航天领域的最重要的专业之一。按学科方向分类，空气动力学、气体动力学、粘性流体力学、计算流体力学等都是流体力学的内容。任何一本书或教材都力求全面，导致了它们越来越交叉，越来越相互覆盖，以致内容之间的区分越来越模糊。其实，如果我们认定它们之间有共同的基础即流体力学基本知识，那么它们之间的区别就会明显一些，混淆就会少一些。当然无论如何，它们之间有覆盖。比如说，有些内容既属于空气动力学问题，又属于粘性问题，因而就可能在两种书中都出现。但下面的区分还是很严格的: (1) 空气动力学是研究空气运动规律及其与物体发生作用的科学，既包含不可压缩（低速）空气动力学，也包含可压缩（高速）空气动力学。 (2) 气体动力学是研究可压缩气体运动规律的。这里的气体可以是空气，也可以是其他气体，但必须是高速即可压缩的。 (3) 粘性流体力学研究考虑粘性作用的流体力学问题，主要凸现粘性作用，如附面层、 粘性导致的涡运动、流动稳定性等。 (4) 计算流体力学则主要进行计算方法的研究。它是针对不可压缩、可压缩、粘流和无粘流的偏微分方程的计算。 4. 本书的目的与内容安排 很明显，如果我们在学习以上几门课程之前，假设它们共性的东西都学过，那么再学这几门课就方便多了。为此，我们假设读者已经学过流体力学基本知识，需要学习空气动力学。这样就可以集中空气动力学的本质的、传统的内容，这就是编写本书的目的。如果读者事先没有学习过基本的流体力学知识，可以一边学习本书的内容，一边自学相关的流体力学基础知识。 空气动力学也存在基础的内容和侧重不同方向的专门内容。本书主要介绍空气动力学的基础内容，但也涉及一些比较深奥的内容和趣味内容，供读者自学。 本书主要是针对学过一些流体力学知识（如流体力学基本方程，无旋流理论，可压缩等熵流动，正激波，不可压缩附面层，等等）的读者编写的，分为上、下两册，共7章及4个总附录。其中前4章为上册内容，余下部分安排在下册。此外，还将配套出版电子教案供教师使用及《部分习题分析与解答》供读者参考。具体内容安排如下。 首先，着重介绍空气动力学最经典的内容--儒可夫斯基升力定理。我们采用复变函数方法来描述不可压缩无旋流升力产生的机制。这对没有学过复变函数的读者来说稍微有点困难，但作为空气动力学最核心的内容之一，使用复变函数可以使内容更严谨，因而是必要的。因此未学过复变函数的读者务必自学一些这方面的知识。另外，第1章也介绍升力产生的粘性机制，主要应用对象是球类运动。 其次，机翼和翼型是飞行器产生升力的部件，是空气动力学的核心对象之一。低速翼型与机翼的空气动力学理论，构成了整个飞行器空气动力学的基础。翼型与机翼低速空气动力学，是第2章要介绍的内容。 可压缩空气动力学包括亚音速空气动力学、超音速空气动力学和跨音速空气动力学，涉及的内容很多。需要了解可压缩流描述的基本方法，以及超音速流、跨音速流和亚音速流之间的区别。这是第3章介绍的内容。 本书第4章介绍与空气动力学相关的粘性流体力学知识。读者可能从不同途径，如流体力学基础或专门的粘流课程，已经学习过一些粘性流体力学知识，但该章介绍的粘流知识可能更贴近飞行器空气动力学的需要。 我们单独用一章来介绍运动物体与非定常空气动力学的内容。带旋转与加速的物体引起的流动，是现代空气动力学关注的重要内容。第5章介绍部分这方面的知识，虽然不够全面，但至少可以看到与定常空气动力学的区别。另外，该章也介绍运动结构（如激波膨胀波）的理论，以及复杂运动非定常粘性升力机制（包括微型鸟类与昆虫产生升力的机制）. 高超音速技术是受到国内外航空航天领域广泛关注的技术。高超音速流动与一般流动存在本质区别，因此有必要单独作为一章（第6章）介绍。 另外，学完空气动力学后，应该对大气环境与相关飞行器的知识有所了解，对空气动力学的应用范围有所了解。这样可以进一步理解所学知识的重要性以及体会自己原有知识的不足，从而增强进一步获取空气动力学知识的决心。为此，在第7章介绍大气环境和相关飞行器的知识，包括飞行器气动部件作用、飞行器设计以及飞行器和昆虫的大量有用数据。 在可压缩流尤其是高超音速流理论中，大量用到热力学、统计热力学以及动力论的一些基础知识。这些内容在总附录A中给出。 空气动力学主要是针对飞行器研究发展起来的。自然、建筑、体育、生物等领域也涉及不少空气动力学现象，飞行器以外的空气动力学现象趣味性可能更强。在总附录B中介绍空气动力学尽可能多的应用范围，供读者参考。 风洞是空气动力学的重要研究工具，在总附录C中，对风洞作了简介。 随着航空航天技术的发展，飞艇特别是高空飞艇越来越受到人们的关注。本书将用一章的篇幅集中介绍飞艇的空气动力学，以附录D的形式作为全书的结尾。 5. 编写原则说明 从传统上看，编书有3种目的。第一种总是针对成熟内容讲述基本原理，对象主要是没有系统学习过相关内容的读者，属于教材型。第二种是为了讲述最新研究成果，尤其是作者的成果，属于专著类型。第三种是为了实用，相关参数、数据、图表列写得详细和规范，可以为设计部门使用，属于手册型。一般要求对第一种采用演绎思维编写；对第三种采用归纳方式编写；对第二种，一般采用以点带线、以线带面的发散方式编写。 然而，现在对学生的培养强调厚基础与宽口径，学科之间也强调交叉的重要性。因此，对于像空气动力学这样的重要方向，为了满足读者可能存在的复合需求，我们以演绎方式为主，但涉及应用时，适当采用一些归纳，而涉及相关知识或最新成果时，适当采用发散模式。 空气动力学相对于流体力学基础，除了必要的严格的数学演绎外，更需要粗线条的推理。这些粗线条的推理建立在对实验结果的归纳基础之上。另外，我们在不少地方会穿插一些具有实际意义的相关内容，这些相关内容可能超出所在章节的知识范围。穿插的内容可能与仿生流体力学、稀薄气体动力学和飞行器设计等相关。只有密切与相关知识进行接口，才能正确地理解每一部分内容的使用范围。 从不同资料来源摘录的知识，尤其是数学公式，可能存在一些印刷或其他错误，我们力求将许多理论重新推导一遍，以尽量减少错误。我们在一些非原始文献上摘取资料、重新推导时，经常发现无法得出资料所给的结果，这迫使我们寻找更原始的文献。这导致两方面的问题。首先，许多古老的文献很难找到，重新推导耗费了大量时间。其次，即使找到了原始文献，也因不同时代习惯不一样，统一起来很困难。有的原始文献也存在一些错误。例如第5章介绍的旋转椭圆问题的受力分析，最原始的文献甚至给出了物体所受的力与环量变化率相关的结论。为了更正这些错误，我们不得不大量补充相关推导，因此使得本书越来越厚。补充相关内容并进行重新推导，重复的或新导致的错误在所难免，希望能得到读者的指正，以便再版时及时修正。在力求将尽可能多的论述给出足够详细推导的同时，也保留一些需要太多数学基础而无法给出细节的例外。如果这样，我们尽量给出原始参考文献，如果没有来源，则以习题形式留给读者去完成。 6. 资料来源说明 由于国内外有了不少空气动力学教材，所以重新写教材，很难做到比已有教材或专著更好。为此，我们在保持整体思路有所取舍的同时，尽量吸纳一些整理得非常好的材料。这样，部分段落的材料，直接来自于某些现成的教科书。这些让我们得益的教科书或专著是: 徐华舫的《空气动力学》，童秉纲、 孔祥言、邓国华编写的《气体动力学》，张兆顺与崔桂香编写的《流体力学》，陈再新、刘福长、龚定一、周鼎义编写的《飞行器空气动力学》，瞿章华、刘伟、曾明、柳军编著的《高超声速空气动力学》，黄志澄编写的《高超声速飞行器空气动力学》, Anderson的《空气动力学基础》以及《高超音速与高温气体动力学》，等等。此外采用了一些参考书上的习题或例题，其中第3章大量采用了童秉纲、 孔祥言、邓国华编写的《气体动力学》中的习题。还有不少其他参考书我们也从中得益不少，这里无法一一列举。由于电子资源很丰富，我们有不少介绍性材料来自一些网站。由于网站内容没有列出参考文献，因此很难保证这些内容是否直接由其他文献转抄过来。也有这样的情况，我们在某一时段撰写内容时，可能从网站上获得了一些介绍性资料尤其是图片，但在给参考文献时，可能找不回网站地址。由于这些原因，可能某些资料应该出现在一些专著中我们没有看到，而被误认为是网站材料，导致正确的资料没有被引用。还可能存在这样的情况，在编写初期，我们一直在参考一些文献撰写某些内容，在当时没有列举参考文献，在最后列参考文献时，某些参考文献存在被遗忘的可能性。由于内容十分多，所以这种遗忘在所难免。 由于这些原因，我们无法保证文献或资料来源引用会达到完全准确无误的程度，虽然我们尽量争取做到这样。如果相关作者发现存在这种疏漏，希望及时指正，以便再版时补上。 在本书各章节中，有一些具体内容需要引用出处，此时我们按引用顺序列在该章的末尾。但也有一些参考书或文献被大量参考，此时列在本书总的参考文献中。但两类参考文献的区别有时也不是绝对严格。总的来说，列在章末的文献，主要涉及的内容是: ①公式的推导不适合放在本书中，所以直接给出来源; ②某些局部介绍性内容在摘录时，在文献的基础上改动不大，列举文献表明是文献作者的思路; ③某些比较新的知识。 除了利用已有资料外，我们也编写了不少自己的研究内容，这些新编内容来自于我们的科研成果。 7. 致谢与本书作者说明 在本书撰写过程中，我陆续将一些零散初稿或全稿发给或寄送给部分空气动力学家或流体力学专家。国家CFD实验室张涵信院士、航天部十一院崔尔杰院士、科学院研究生院童秉纲院士、航空601所李天院士、清华大学张兆顺教授、许春晓副教授、北京航空航天大学孙茂教授、国家CFD实验室叶友达研究员等阅读了该书初稿并及时提出了宝贵意见或鼓励。北京航空航天大学武哲教授在初稿修改过程中，将全书通读一遍，并提供了第7章第5节（飞行器隐身设计），让我深受感动。美国田纳西大学吴镇远教授看了本书部分初稿后，充分肯定该书的风格。在编写本书过程中，北京大学吴介之教授也一直非常关注并且给予支持。 我的学生庄礼深除了参与部分材料的录入外，还参与编写了本书6.5.3节,田中伟撰写了部分飞艇空气动力学内容，王晓欣提供了本书介绍的升力定理的证明，并撰写了部分复变函数内容。在此一并表示感谢。 ◎ 目录第5章 非定常空气动力学1 5.1 非定常流动与坐标系的选择1 5.1.1 非定常流动分类1 5.1.2 绝对静止系与非惯性运动系的关系3 5.1.3 绝对静止系与惯性运动系9 5.1.4 惯性运动系流动求解与动力学过程13 5.1.5 圆柱加速运动15 5.1.6 附加惯性系数的一般求法18 5.2 物体作刚体运动引起的流动21 5.2.1 物体作任意运动在惯性运动系中引起的势函数21 5.2.2 运动物体的勃拉休斯定理24 5.2.3 运动椭圆所受的力和力矩26 5.3 纸片与椭圆的下落运动27 5.3.1 纸片模化处理： 运动椭圆问题28 5.3.2 有涡脱落的情况29 5.4 可压缩非定常流动32 5.4.1 特征线方法33 5.4.2 简单波与一维膨胀波38 5.4.3 运动激波关系式45 5.4.4 黎曼问题52 5.4.5 波的反射与相互作用57 5.5 不可压缩与可压缩非定常流动的本质区别64 5.5.1 小扰动传播规律65 5.5.2 大扰动问题66 5.5.3 粘流问题66 5.5.4 不可压缩流动的真正意义68 5.6 特征线差分法与现代计算流体力学简介70 5.6.1 特征线差分法70 5.6.2 现代计算流体力学方法74 5.6.3 计算流体力学无量纲参数CFL数，数值稳定性76 5.7 复杂运动非定常粘性升力机制简介78 5.7.1 运动物体引起的非定常流动动量定理及其应用78 5.7.2 涡量守恒定理82 5.7.3 用主力矩计算气动力的吴镇远定理84 5.7.4 吴镇远定理的分析与应用、集中涡88 5.7.5 Weis-Fogh的非定常高升力机制94 5.7.6 鸟类和昆虫的运动学与气动特性简介101 附录VIII 附加惯性张量的性质108 附录Ⅸ 任意运动物体合力表达式109 附录Ⅹ 任意运动物体力矩表达式111 附录Ⅺ 椭圆作任意运动所受的合力和力矩112 附录Ⅻ 纸片下落问题的背景与研究现状简介120 Ⅻ.1 背景与概述120 Ⅻ.2 研究现状120 本章习题124 本章参考文献128 第6章 高超音速及相关技术概述131 6.1 高超音速流动的基本特征131 6.1.1 薄激波层133 6.1.2 强粘性效应134 6.1.3 高熵层135 6.1.4 高温真实气体效应135 6.1.5 低密度效应与低雷诺数效应136 6.1.6 小结137 6.2 高超音速无粘流基本知识138 6.2.1 马赫数无关原理139 6.2.2 牛顿流模型141 6.3 高超音速粘流基本知识144 6.3.1 驻点热流144 6.3.2 粘性效应与粘性相互作用简介146 6.4 高温真实气体效应151 6.4.1 高温空气的性质152 6.4.2 化学与振动非平衡154 6.4.3 非平衡流动、平衡流动和冻结流动概念及其模型158 6.4.4 空气平衡流动计算模型举例164 6.4.5 激光与太阳能热推进的冲量耦合系数与比冲171 6.5 低密度（稀薄）效应173 6.5.1 流动分区173 6.5.2 不同流动区域的计算模型175 6.5.3 自由分子流区的气动力计算、与DSMC方法的比较179 6.6 空气热力学效应186 6.6.1 空气热力学的重要性186 6.6.2 高速边界层与转捩188 6.6.3 激波反射与激波干扰现象189 6.6.4 高超音速飞行器激波干扰现象分析197 6.7 高超音速相关技术概述201 6.7.1 实验中如何获得高马赫数201 6.7.2 高超音速再入飞行的飞行力学问题202 6.7.3 高超音速再入气动热问题206 6.7.4 乘波体简介209 6.7.5 高超音速飞行器若干关键技术分析211 6.8 吸气式发动机工作原理分析218 6.8.1 超音速飞行对发动机的要求218 6.8.2 涡喷与涡扇发动机简介220 6.8.3 冲压发动机简介223 6.8.4 冲压发动机工作原理分析224 6.8.5 均匀混合气体燃烧波理论232 6.8.6 超燃冲压发动机关键技术简介235 6.8.7 减阻问题238 本章习题240 本章参考文献244 第7章 空气动力学与大气飞行器247 7.1 飞行空间与大气环境247 7.1.1 飞行空间247 7.1.2 大气结构249 7.1.3 大气的成分251 7.1.4 标准大气的数学模型252 7.1.5 大气物理特征254 7.2 飞行器气动部件及其作用270 7.2.1 翼型升力、阻力与失速特性270 7.2.2 机翼特性273 7.2.3 尾翼286 7.2.4 副翼、扰流片与减速板291 7.2.5 涡流发生器293 7.2.6 边条翼296 7.2.7 翼身融合299 7.2.8 高升力装置(增升装置)301 7.3 飞行器气动布局及性能304 7.3.1 飞机气动布局305 7.3.2 飞机飞行性能的一般性概述311 7.3.3 飞机的平衡、稳定性与操纵性318 7.3.4 飞机的机动性325 7.3.5 高超音速飞行器的再入飞行力学330 7.3.6 典型飞机及其特点336 7.3.7 飞行动物与微型扑翼飞行器344 7.3.8 现代气动布局飞机--飞翼设计分析举例353 7.4 飞机数据综合比较361 7.4.1 气动数据比较361 7.4.2 飞行性能数据比较366 7.4.3 几何形状数据比较370 7.4.4 整体性能数据比较374 7.5 一体化设计中的气动隐身设计与飞机综合概念设计378 7.5.1 隐身与雷达散射截面积379 7.5.2 飞行器总体布局和外形的隐身设计384 7.5.3 飞行器隐身/?气动一体化设计393 7.5.4 SEACD: 综合化飞机概念设计环境402 7.5.5 国外几种隐身战斗机低RCS外形技术分析406 本章习题416 本章参考文献419 总附录A 热力学、统计力学与动力论基础知识421 A.1 经典热力学基础回忆421 A.2 化学热力学基础427 A.3 统计热力学基础435 A.4 动力论基础445 A.5 化学反应速率方程，平衡常数448 A.6 音速公式451 A.7 几个基本关系式的证明453 总附录A参考文献454 总附录B 空气动力学的应用范围简介455 B.1 空气运动的简单与复杂455 B.2 自然规律与空气动力学458 B.2.1 宏观气象学与空气动力学459 B.2.2 微观气象学与空气动力学461 B.2.3 森林空气动力学465 B.2.4 鸟和昆虫飞行空气动力学466 B.3 工业、工程与空气动力学470 B.3.1 建筑物空气动力学471 B.3.2 车辆空气动力学473 B.3.3 风能利用476 B.3.4 体育中的空气动力学477 B.4 航空、航天与空气动力学483 B.4.1 飞机空气动力学483 B.4.2 航天空气动力学488 B.4.3 气动弹性、气动噪声和气动光学492 总附录B参考文献498 总附录C 风洞简介500 C.1 低速风洞简介501 C.2 亚音速风洞505 C.3 跨音速风洞510 C.4 超音速风洞516 C.5 高超音速风洞522 总附录C参考文献528 总附录D 飞艇空气动力学529 D.1 飞艇简介529 D.1.1 飞艇的结构特点和工作原理529 D.1.2 飞艇的发展简史538 D.2 基本概念545 D.2.1 基本参数545 D.2.2 附加惯性、附加密度和表观密度547 D.2.3 称量重量（净重）549 D.3 飞艇常规空气动力学问题552 D.3.1 飞艇空气动力学的理论基础及应用552 D.3.2 阻力与低阻力外形563 D.3.3 升力、力与力矩特性570 D.3.4 柔性外壳的流固耦合577 D.3.5 飞艇与阵风的相互作用583 D.4 高空飞艇带来的新空气动力学问题简述594 D.4.1 新空气动力学问题简介594 D.4.2 穿越强风带的发射/回收过程597 D.4.3 分片外形的气动效应605 D.5 平流层飞艇总体设计609 D.5.1 环境参数609 D.5.2 飞艇的几何参数611 D.5.3 飞艇组件的技术指标及质量参数612 D.5.4 飞艇的力学参数614 D.5.5 各参数之间满足的平衡关系615 D.5.6 简单估算的算例616 D.5.7 升浮一体化设计619 总附录D参考文献622 索引624 参考文献642 《空气动力学》（上册）勘误表644 |
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