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上篇 空气动力学基础 2

第1章 空气动力学基础知识 2

1.1 空气动力学简介 2

1.1.1 空气动力学的基本任务 2

1.1.2 空气动力学的研究方法 3

1.1.3 空气动力学的发展概述 3

1.2 流体介质 4

1.2.1 连续介质假设 5

1.2.2 控制体 5

1.2.3 流体微团 5

1.2.4 常用流体参数的定义 6

1.2.5 气体的状态方程 7

1.2.6 压缩性、黏性和传热性 7

1.2.7 流体的模型化 10

1.3 气动力和气动力矩 12

1.3.1 升力、阻力和力矩 12

1.3.2 气动力系数 15

1.4 矢量和积分知识 17

1.4.1 矢量代数 17

1.4.2 典型的正交坐标系 18

1.4.3 标量场和矢量场 20

1.4.4 标量积和矢量积 20

1.4.5 梯度算子 21

1.4.6 标量场的梯度 22

1.4.7 矢量场的散度 23

1.4.8 矢量场的旋度 23

1.4.9 线积分 24

1.4.10 面积分 24

1.4.11 体积分 25

1.4.12 三个积分定理 25

1.5 爱因斯坦求和约定 25

1.5.1 指标与求和约定 25

1.5.2 克罗内克δ符号 26

1.5.3 排列符号 26

1.6 物质导数 27

1.7 速度散度的物理意义 29

习题 31

第2章 流体运动基本方程和基本规律 33

2.1 连续方程 33

2.1.1 微分形式的连续方程 33

2.1.2 积分形式的连续方程 34

2.2 动量方程 38

2.2.1 微分形式的动量方程 39

2.2.2 积分形式的动量方程 41

2.3 能量方程 44

2.3.1 微分形式的能量方程 46

2.3.2 积分形式的能量方程 50

2.4 N-S方程和两种特殊的流动 52

2.4.1 N-S方程 52

2.4.2 两种特殊的流动 53

2.5 流体微团运动分析 57

2.5.1 流场的迹线和流线 57

2.5.2 角速度和角变形率 60

2.5.3 流函数和速度位 64

2.6 旋涡运动 68

2.6.1 涡线、涡管以及旋涡强度 69

2.6.2 速度环量和斯托克斯定理 69

2.6.3 毕奥-萨伐尔定律及直线涡的诱导速度 72

2.6.4 亥姆霍兹旋涡定理 73

习题 74

第3章 不可压无黏流 76

3.1 伯努利方程及其应用 76

3.1.1 无旋流动中的积分 76

3.1.2 有旋流动中的积分 80

3.2 不可压无旋流动的控制方程 81

3.3 拉普拉斯方程的基本解 83

3.3.1 直匀流 83

3.3.2 点源 83

3.3.3 点涡 84

3.3.4 偶极子 85

3.4 基本解叠加 87

3.4.1 直匀流叠加点源 87

3.4.2 直匀流叠加轴向逆流的偶极子 90

3.5 绕圆柱的有环量流动和库塔-茹科夫斯基升力定理 92

3.5.1 绕圆柱的有环量流动 92

3.5.2 库塔-茹科夫斯基升力定理 94

习题 98

第4章 低速黏流和边界层流动基础 100

4.1 边界层概念 100

4.1.1 雷诺数 100

4.1.2 边界层 100

4.2 黏流的基本特性 103

4.2.1 物面上无滑移 103

4.2.2 黏性摩擦阻力和黏性压差阻力 104

4.2.3 机械能耗散和黏滞气动热 105

4.2.4 层流和紊流 105

4.2.5 流动分离 108

4.3 边界层流动 112

4.3.1 边界层内压强分布特点 112

4.3.2 平面边界层流动的方程 112

4.3.3 低速平板边界层 113

4.3.4 边界层分离 118

习题 120

第5章 高速可压流动 121

5.1 热力学基础 121

5.1.1 内能和焓 121

5.1.2 热力学第一定律和比热 122

5.1.3 热力学第二定律和熵 123

5.2 一维等熵绝热流 124

5.2.1 声速 124

5.2.2 能量方程 125

5.2.3 参数间的基本关系式 125

5.3 马赫波与膨胀波 128

5.3.1 小扰动与马赫锥 128

5.3.2 马赫波 129

5.3.3 膨胀波 131

5.4 正激波 135

5.4.1 正激波与基本方程组 135

5.4.2 普朗特激波公式 135

5.4.3 正激波前后流动参数的关系式 136

5.4.4 兰金-于戈尼奥方程 137

5.5 斜激波 138

5.5.1 平面斜激波前后流动参数的关系式 138

5.5.2 激波图线及其用法 139

5.5.3 弱斜激波的熵增及参数近似关系式 142

5.6 高速可压边界层初步知识 144

5.6.1 Crocco流 144

5.6.2 物面恢复温度和复温系数 146

5.6.3 激波与边界层的相互干扰 148

5.7 拉瓦尔喷管与超声速风洞 149

5.7.1 马赫数随管流截面面积的变化 149

5.7.2 拉瓦尔喷管 150

5.7.3 超声速风洞 152

习题 153

下篇 飞行器空气动力学 156

第6章 低速翼型的气动特性 156

6.1 翼型的几何参数 156

6.1.1 几何弦长 156

6.1.2 翼型表面无量纲坐标 157

6.1.3 弯度 157

6.1.4 厚度 157

6.1.5 前缘钝度与后缘尖锐度 157

6.1.6 常用低速翼型编号法简介 158

6.2 低速翼型绕流的特点和启动涡 159

6.2.1 低速翼型绕流的特点 159

6.2.2 启动涡 161

6.3 速度环量的确定和库塔-茹科夫斯基后缘条件 163

6.4 薄翼型理论 164

6.4.1 流动的分解 165

6.4.2 迎角-弯板问题 167

6.4.3 厚度问题 174

6.5 任意翼型位流解法 176

6.5.1 保角变换法 176

6.5.2 面元法 177

6.6 低速翼型的一般气动特性 179

6.6.1 翼型表面压强分布 179

6.6.2 翼型升力特性 179

6.6.3 翼型力矩特性 181

6.6.4 翼型的压心和焦点 182

6.6.5 翼型的阻力特性 183

习题 184

第7章 机翼的低速气动特性 185

7.1 机翼的几何参数 185

7.1.1 平面形状和平面几何参数 185

7.1.2 几何扭转角？扭 186

7.1.3 上（下）反角ψ 187

7.2 机翼的自由尾涡 187

7.3 大展弦比直机翼绕流的气动模型与升力线理论 188

7.3.1 气动模型和升力线假设 188

7.3.2 升力线理论 189

7.4 升力面理论及涡格法 200

7.4.1 升力面理论 200

7.4.2 涡格法 203

7.5 低速机翼的一般气动特性 205

7.5.1 剖面升力系数展向分布（z） 205

7.5.2 升力特性 205

7.5.3 纵向力矩特性 206

7.5.4 阻力特性 207

习题 210

第8章 亚声速翼型和机翼的气动特性 212

8.1 速度位方程 212

8.2 小扰动线化理论 213

8.2.1 速度位方程的线化 214

8.2.2 压强系数的线化 215

8.2.3 边界条件的线化 216

8.3 亚声速流中薄翼型的气动特性 217

8.3.1 线性方程的变换 217

8.3.2 边界条件的变换 218

8.3.3 相应薄翼型之间的变换 218

8.3.4 翼型上对应点压强系数之间的关系 219

8.3.5 薄翼型的气动特性 219

8.4 亚声速薄机翼的气动特性及M∞对气动特性的影响 220

8.4.1 相应机翼形状之间的变换 220

8.4.2 薄机翼的升力和俯仰力矩特性 220

8.4.3 M∞对机翼气动特性的影响 225

习题 226

第9章 超声速线化理论及跨声速、高超声速流初步知识 228

9.1 超声速薄翼型绕流 228

9.2 超声速薄翼型线化理论 229

9.2.1 一级近似理论压强系数分析 232

9.2.2 一级近似理论压强系数的叠加法 233

9.2.3 一级近似理论薄翼型的气动特性 235

9.2.4 二级近似理论简述 242

9.3 薄机翼超声速绕流的基本概念 243

9.3.1 前马赫锥与后马赫锥 243

9.3.2 前缘、后缘和侧缘 244

9.3.3 二维流区与三维流区 246

9.3.4 有限翼展薄机翼的绕流特性 247

9.3.5 锥形流场概念 248

9.4 跨声速绕流 249

9.4.1 翼型的临界马赫数 249

9.4.2 薄翼型绕流的气动特性 250

9.4.3 机翼主要几何参数对气动特性的影响 253

9.4.4 机翼气动特性的相似参数 256

9.4.5 超临界翼型 256

9.5 高超声速流初步知识 257

9.5.1 高超声速绕流的新特征 258

9.5.2 高超声速无黏流的激波关系式 262

习题 265

第10章 计算流体力学初步知识 266

10.1 网格生成技术简介 266

10.1.1 结构网格 267

10.1.2 非结构网格 271

10.1.3 直角坐标网格 274

10.2 N-S方程数值解法基础 275

10.2.1 有限差分方法 275

10.2.2 有限体积方法 275

10.2.3 有限元方法 276

10.2.4 算例 277

习题 278

参考文献 279