目錄
前言
緒論 1
0.1 空氣動(dòng)力學(xué)的研究對(duì)象、范圍及分類 1
0.2 歷史概述 2
0.2.1 公元前到19世紀(jì)的流體力學(xué)發(fā)展 2
0.2.2 20世紀(jì)：空氣動(dòng)力學(xué)建立完整體系 3
0.3 空氣動(dòng)力學(xué)的研究方法 4
0.3.1 理論分析方法 4
0.3.2 試驗(yàn)方法 5
0.3.3 數(shù)值方法 5
第1章 流體的物理屬性及流體靜力學(xué) 6
1.1 流體的連續(xù)介質(zhì)模型 6
1.1.1 連續(xù)介質(zhì)假設(shè) 6
1.1.2 分子平均自由程 6
1.1.3 流體的宏觀特性及流體物理量 7
1.1.4 連續(xù)介質(zhì)假設(shè)的適用范圍 8
1.1.5 流體質(zhì)點(diǎn)與流體微團(tuán) 9
1.2 流體的流動(dòng)性、黏性與理想無(wú)黏流體 9
1.2.1 流體的流動(dòng)性 9
1.2.2 流體黏性的表現(xiàn) 10
1.2.3 牛頓內(nèi)摩擦定律 11
1.2.4 黏度(黏性系數(shù)） 12
1.2.5 理想無(wú)黏性流體 13
1.2.6 氣體的導(dǎo)熱性 14
1.3 完全氣體的熱力學(xué)特性 14
1.3.1 完全氣體狀態(tài)方程 14
1.3.2 氣體的內(nèi)能 15
1.3.3 熱力學(xué)第一定律、焓和比熱容 16
1.3.4 熱力學(xué)第二定律和熵 18
1.3.5 等熵關(guān)系式 20
1.3.6 聲速 20
1.4 流體的可壓縮性與不可壓流動(dòng) 21
1.4.1 流體的可壓縮性和可壓縮系數(shù) 21
1.4.2 流體的彈性和彈性模量 22
1.4.3 不可壓流體/流動(dòng)與可壓縮流體/流動(dòng) 23
1.4.4 采用馬赫數(shù)劃分流動(dòng)范圍的物理內(nèi)涵 23
1.5 作用在流體微團(tuán)上的力 24
1.5.1 徹體力 24
1.5.2 表面力 24
1.5.3 流體內(nèi)一點(diǎn)處的壓強(qiáng) 25
1.6 流體靜力學(xué) 27
1.6.1 流體靜力學(xué)的基本方程一歐拉靜平衡方程 27
1.6.2 靜平衡方程的應(yīng)用舉例 29
1.7 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)大氣 33
1.7.1 大氣分層情況及各層特點(diǎn) 33
1.7.2 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)大氣條件計(jì)算 35
第2章 流體運(yùn)動(dòng)學(xué)基礎(chǔ) 37
2.1 流體運(yùn)動(dòng)的描述方法和流場(chǎng) 37
2.1.1 拉格朗日法 37
2.1.2 歐拉法 39
2.1.3 拉格朗日法和歐拉法的轉(zhuǎn)換 40
2.1.4 流場(chǎng) 42
2.1.5 隨體導(dǎo)數(shù)(物質(zhì)導(dǎo)數(shù)、實(shí)質(zhì)導(dǎo)數(shù)、質(zhì)點(diǎn)導(dǎo)數(shù)） 45
2.2 流體運(yùn)動(dòng)的幾何描述 47
2.2.1 跡線 47
2.2.2 流線 48
2.2.3 流管和流面 54
2.2.4 脈線 55
2.3 流體微團(tuán)的運(yùn)動(dòng)分析 55
2.3.1 流體微團(tuán)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中形狀變化特點(diǎn) 55
2.3.2 流體微團(tuán)的基本運(yùn)動(dòng)形式 56
2.3.3 流體微團(tuán)中毗鄰點(diǎn)的速度關(guān)系 57
2.3.4 流體微團(tuán)基本運(yùn)動(dòng)形式的分析(數(shù)學(xué)表達(dá)） 58
2.3.5 亥姆霍茲速度分解定理 62
2.3.6 流動(dòng)實(shí)例分析 65
2.4 有旋流動(dòng) 71
2.4.1 有旋流動(dòng)的一般概念、渦線和渦管 71
2.4.2 速度環(huán)量及其與渦通量的關(guān)系 72
2.4.3 渦管強(qiáng)度守恒定理及推論 73
2.4.4 旋渦的誘導(dǎo)速度 75
第3章 流體動(dòng)力學(xué)的基本方程組 78
3.1 引言 78
3.1.1 動(dòng)力學(xué)任務(wù)與基本原則 78
3.1.2 系統(tǒng)(流體微團(tuán)）與控制體(微元體） 79
3.1.3 積分形式和微分形式的基本方程 79
3.1.4 雷諾輸運(yùn)定理 80
3.2 質(zhì)量方程 83
3.2.1 微分形式的質(zhì)量方程(連續(xù)方程） 83
3.2.2 積分形式的質(zhì)量方程 86
3.3 運(yùn)動(dòng)微分方程 88
3.3.1 應(yīng)力形式的運(yùn)動(dòng)微分方程 88
3.3.2 牛頓流體的應(yīng)力與應(yīng)變率關(guān)系 91
3.3.3 納維-斯托克斯方程 94
3.4 積分形式的動(dòng)量方程 96
3.4.1 積分形式動(dòng)量方程的推導(dǎo) 96
3.4.2 積分形式動(dòng)量方程的應(yīng)用 98
3.4.3 積分形式的動(dòng)量矩方程及應(yīng)用 100
3.5 理想流體的歐拉方程及其積分 103
3.5.1 理想流體的歐拉方程 103
3.5.2 蘭姆-葛羅米柯方程 104
3.5.3 歐拉方程的積分 105
3.5.4 應(yīng)用舉例 107
3.6 理想流體的旋渦定理 109
3.6.1 亥姆霍茲方程 109
3.6.2 開爾文環(huán)量守恒定理 110
3.6.3 亥姆霍茲旋渦定理 112
3.7 理想流體的能量方程 113
3.7.1 微分形式的總能方程 114
3.7.2 微分形式能量方程的其他形式 116
3.7.3 積分形式的能量方程 117
3.8 流體動(dòng)力學(xué)方程組的封閉性和定解條件 119
3.8.1 方程組的封閉性 119
3.8.2 定解條件 120
3.9 流動(dòng)相似與相似參數(shù) 121
3.9.1 流動(dòng)控制方程和定解條件的無(wú)量綱化 122
3.9.2 相似律和相似參數(shù) 125
第4章 理想不可壓平面無(wú)旋流動(dòng) 129
4.1 引言 129
4.2 理想不可壓平面流動(dòng)的勢(shì)函數(shù)與流函數(shù) 131
4.2.1 無(wú)旋流動(dòng)的勢(shì)函數(shù) 131
4.2.2 連續(xù)方程與流函數(shù) 132
4.3 不可壓平面無(wú)旋動(dòng)求解概述 136
4.3.1 不可壓平面無(wú)旋流的基本方程 136
4.3.2 不可壓平面無(wú)旋流求解的物理問(wèn)題敘述和數(shù)學(xué)問(wèn)題提法 137
4.3.3 方程求解方法 139
4.4 幾種簡(jiǎn)單的不可壓平面無(wú)旋流動(dòng)（基本解） 141
4.4.1 直勻流 141
4.4.2 點(diǎn)源與點(diǎn)匯 141
4.4.3 偶極子 144
4.4.4 點(diǎn)渦 146
4.4.5 基本解的小結(jié) 147
4.5 簡(jiǎn)單的流動(dòng)疊加舉例 148
4.5.1 圓柱的無(wú)環(huán)量繞流(直勻流+偶極子） 148
4.5.2 圓柱的有環(huán)量繞流 152
4.6 低速翼型繞流 156
4.6.1 低速翼型的繞流特點(diǎn) 156
4.6.2 翼型繞流的變換 158
4.6.3 庫(kù)塔-儒科夫斯基后緣條件及環(huán)量的確定 161
4.6.4 翼型繞流環(huán)量的產(chǎn)生 163
第5章 無(wú)黏可壓縮流動(dòng) 166
5.1 聲速和馬赫錐 166
5.1.1 聲速計(jì)算式的導(dǎo)出 166
5.1.2 小擾動(dòng)影響區(qū)的劃分，馬赫錐 168
5.2 絕熱流和等熵流的基本關(guān)系 171
5.2.1 一維定常絕熱流能量方程及其特征常數(shù) 172
5.2.2 特征馬赫數(shù) 176
5.2.3 沿流線的絕熱流和等熵流的基本關(guān)系式 178
5.2.4 氣體壓縮性的影響 180
5.3 正激波 180
5.3.1 激波的形成過(guò)程簡(jiǎn)述 181
5.3.2 激波的厚度及激波的數(shù)學(xué)模型 182
5.3.3 研宄正激波前后氣流關(guān)系的基本方程 183
5.3.4 正激波前后的參數(shù)關(guān)系 184
5.4 斜激波 188
5.4.1 引言 188
5.4.2 斜激波與正激波的關(guān)系 189
5.4.3 斜激波的基本關(guān)系式 191
5.5 普朗特-邁耶膨脹波 195
5.5.1 超聲速定常氣流繞凸角的平面流動(dòng)的圖像 196
5.5.2 普朗特-邁耶膨脹波關(guān)系式 197
5.5.3 超聲速氣流繞二維曲面的流動(dòng) 199
5.6 激波-膨脹波理論對(duì)超聲速翼型的應(yīng)用 200
5.6.1 超聲速氣流繞流平板翼型 200
5.6.2 超聲速氣流繞流菱形翼型 201
5.6.3 超聲速氣流繞流雙弧翼型 202
5.7 氣體沿變截面管道的流動(dòng) 203
5.7.1 準(zhǔn)一維定常流動(dòng)的控制方程 204
5.7.2 等熵條件下流動(dòng)參數(shù)與截面積的微分關(guān)系 205
5.7.3 噴管的流速與流量的計(jì)算 208
5.7.4 拉瓦爾噴管的設(shè)計(jì)工況 210
5.7.5 亞聲速工況 212
5.7.6 管內(nèi)或管口出現(xiàn)正激波工況 212
5.7.7 管外出現(xiàn)斜激波或膨脹波的工況 214
第6章 黏性不可壓流動(dòng)與邊界層 215
6.1 性流體運(yùn)動(dòng)特點(diǎn) 215
6.1.1 黏性對(duì)流動(dòng)的影響 215
6.1.2 黏性流體流動(dòng)的兩種流態(tài) 216
6.1.3 N-S方程組的求解 219
6.2 N-S方程層流解析解舉例 219
6.2.1 不可壓平行流的控制方程 219
6.2.2 庫(kù)埃特流動(dòng) 220
6.2.3 哈根-泊肅葉流動(dòng) 222
6.3 邊界層概念 224
6.3.1 大雷諾數(shù)下物體繞流的特性 224
6.3.2 層流與湍流邊界層 225
6.3.3 邊界層厚度 225
6.4 二維不可壓層流邊界層微分方程 228
6.4.1 邊界層方程的導(dǎo)出 228
6.4.2 邊界層流動(dòng)的求解 231
6.5 邊界層相似及平板邊界層的相似解 233
6.5.1 邊界層相似的概念 233
6.5.2 法沃克納-斯坎變換 234
6.5.3 平板邊界層方程的相似變換 235
6.5.4 平板邊界層的布拉休斯解 237
6.6 動(dòng)量積分方程及平板邊界層的近似解 240
6.6.1 卡門動(dòng)量積分方程 240
6.6.2 平板邊界層的動(dòng)量積分方程解法 243
6.7 邊界層分離 244
6.7.1 圓柱繞流的分離過(guò)程及物理解釋 245
6.7.2 逆壓力梯度與速度剖面的關(guān)系 245
6.7.3 分離發(fā)生的必要條件 247
6.8 湍流的雷諾方程和相關(guān)概念 248
6.8.1 湍流平均運(yùn)動(dòng)及平均運(yùn)算 248
6.8.2 不可壓湍流平均運(yùn)動(dòng)的質(zhì)量方程和動(dòng)量方程 249
6.8.3 雷諾應(yīng)力的物理意義及混合長(zhǎng)度理論 252
6.8.4 平板湍流邊界層流動(dòng)特性介紹 254
第7章 翼型與細(xì)長(zhǎng)旋成體氣動(dòng)特性的近似計(jì)算方法 258
7.1 翼型的幾何描述與空氣動(dòng)力系數(shù) 258
7.1.1 翼型的幾何參數(shù) 258
7.1.2 NACA系列翼型 259
7.1.3 翼型的空氣動(dòng)力系數(shù) 260
7.2 低速翼型的薄翼理論與氣動(dòng)特性 262
7.2.1 薄翼型繞流的擾動(dòng)速度勢(shì)及其分解 263
7.2.2 迎角-彎度問(wèn)題及其求解 266
7.2.3 薄翼型的升力和力矩 269
7.2.4 實(shí)用低速翼型的氣動(dòng)力特性 271
7.3 無(wú)黏定常等熵可壓縮流動(dòng)的速度勢(shì)方程 275
7.3.1 全速度勢(shì)方程 275
7.3.2 線化的擾動(dòng)速度勢(shì)方程 276
7.3.3 線化的邊界條件 278
7.3.4 線化的壓強(qiáng)系數(shù) 279
7.4 亞聲速線化流動(dòng)的相似法則 280
7.4.1 戈泰特法則 280
7.4.2 普朗特-葛勞渥特法則 283
7.5 超聲速流二維翼型的線化解 284
7.5.1 物理模型和數(shù)學(xué)模型的建立 284
7.5.2 線化方程的求解 286
7.5.3 翼面壓強(qiáng)分布和翼型氣動(dòng)力系數(shù) 287
7.6 細(xì)長(zhǎng)旋成體理論 291
7.6.1 旋成體的幾何參數(shù)及繞流圖 291
7.6.2 柱坐標(biāo)下的小擾動(dòng)線化方程、邊界條件和壓強(qiáng)系數(shù) 293
7.6.3 細(xì)長(zhǎng)旋成體的軸向繞流 297
7.6.4 小迎角細(xì)長(zhǎng)旋成體繞流 303
7.6.5 極細(xì)長(zhǎng)旋成體的氣動(dòng)特性 308
習(xí)題 313
參考文獻(xiàn) 319
附錄A 標(biāo)準(zhǔn)大氣參數(shù)表 320
附錄B 等熵流特性 322
附錄C 正激波特性 328
附錄D 普朗特-邁耶函數(shù)和馬赫角 333