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 风吹电线 卡门涡街
涡交替发放
上下逆向旋涡 带走动量方向相反
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
桥梁振动
涡发放频率 桥梁结构的固有频率 辐射声波
共振破坏
压强脉动形成声波
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
理论研究
基本概念如连续介质 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 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 无规则热运动大量分子 流体充满一个体积 无分子空隙 宏观运动规律 连续介质 无分子运动 不考虑微观结构 100km以下
空气阻力
体育中的空气动力学
旋转球
香蕉球 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
空气动力学基本理论 风洞/水洞/其他实验台架 模型 实物
学时1 基础性 应用性 开拓性
实验研究
结果真实/可靠//丰富 为理论分析/数值计算提供依据 尺寸/边界/测试仪器及方法限制 耗时/耗力/耗经费
刚度
气流带走
可压缩性
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
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 分子密度低 大气稠密减速至一定程度 80km< 黑障区 < 54.8km 电离弱 温度低电离弱
森林空气动力学
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
建筑物空气动力学
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
车辆空气动力学
车型迎风阻力 占62% 拖曳涡涡阻 空气阻力下降10% 表面摩擦阻力 占9% 外部零件干扰阻力 占17% 油耗降低5% 内部气流阻力 占12%
诱导阻力 实际升力 有效迎角 翼尖尾涡 来流 下洗角 下洗速度 尾涡 内向侧力 翼梢小翼 阻挡气流上卷 削弱尾涡 下洗速度 内向侧力 推力
激波
V1 a 1
V2 V1
V1 V2 0 激波阻力 Dsh m
后掠机翼 边条涡
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 液体
水力学 理论流体动力学 润滑理论
流体动力学 气体 无黏流动 黏性流动
变化小
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
变化大 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
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、……
升力储备：爬升、机动飞行 气动效率：高升阻比 航空飞行器空气动力学 稳定性、操控性 空气流过飞行器外部时运动规律 表面压力及换热规律：材料、结构 飞行器升力及形成机理
v2 理想不可压流体 p const 伯努利方程 2
假设 实际
库塔-儒科夫 儒可夫 L V 斯基定理
D 0 凯尔文定理 Dt
黏性
附面层 旋涡/涡量
Stokes定理

A
ndA c
环量从何而来？
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
进气道及扩压段 斜激波及正激波 超燃冲压发动机
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
进气道/斜激波
气流增压且超音速 气流继续增压
隔离段 附面层诱导激波串 燃烧室/燃烧
扩张喷管 推力
气流超音速喷出
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 激波
摩擦生热 压缩增温
加热飞行器表面 结构强度
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
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。
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
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 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
平直机翼
Vn 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 涡心P低而V高 涡升力 流经部位压力低 边条涡 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；