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第1部分 航空航天工程研究评述 3

第1章 系统工程：用系统思想设计更好的航空航天系统 3

1 引言 3

2 系统工程、系统思想和系统 5

2.1 系统的特征与属性 8

2.2 总结与结论 13

3 系统工程 13

3.1 系统工程的目的 13

3.2 系统工程的背景 14

3.3 系统工程是转换系统 14

3.4 系统工程包含子系统并且自身为更大系统的子系统 16

4 结论 22

参考文献 22

第2章 航空航天工程未来20年的挑战与机遇 23

1 引言 23

2 航空器 24

2.1 飞行器的性能、飞行运营与环境影响 24

2.2 推进系统 25

2.3 非常规飞机 25

2.4 无人机系统 26

2.5 吸气式高超声速系统 26

2.6 组件集成与热管理 27

2.7 建模、仿真与软件 27

3 航天器 28

3.1 航天发射系统 28

3.2 发射／助推发动机与飞船推进系统 29

3.3 快速响应的空间进入与航天系统构建 30

3.4 空间环境 30

4 结论 30

第2部分 流体动力学基础 35

第3章 流体动力学早期理论和实验发展简史 35

1 引言 35

2 早期希腊科学：亚里士多德与阿基米德 35

3 达·芬奇的流体动力学 36

4 速度平方定律 37

5 牛顿和正弦平方定律 38

6 丹尼尔·伯努利与压力速度概念 40

7 亨利·皮托与皮托管的发明 41

8 18世纪流体动力学的发展顶峰——莱昂哈德·欧拉与非黏性流体流动控制方程 42

9 包含摩擦的理论流体动力学：纳维尔和斯托克斯的工作 43

10 奥斯本·雷诺：认识湍流流动 45

11 升力环量理论：库塔和儒可夫斯基 48

12 路德维希·普朗特与边界层理论 50

13 总结 52

参考文献 52

第4章 空气动力学基本控制方程 53

1 基本原理 53

1.1 无黏流动和黏性流动的区别 53

1.2 不可压缩流动与可压缩流动的区别 53

1.3 控制体与流体单元 55

1.4 连续性方程 56

1.5 动量方程 56

1.6 能量方程 56

1.7 分类：欧拉方程和纳维尔斯托克斯方程 57

1.8 迹线、流线和脉线 57

1.9 涡量 57

1.10 速度势 58

1.11 流函数 58

1.12 环量 58

2 势流方程 59

2.1 势流的定义 59

2.2 伯努利方程 59

2.3 速度的散度 59

2.4 拉普拉斯方程 59

2.5 中期总结 60

2.6 基本势流 60

2.7 基本流动方程 61

2.8 基本流动的叠加 62

2.9 升力环量理论：基本原理 63

2.10 高亚声速和超声速势流：基本理论和基本方程 63

3 欧拉方程 64

3.1 随体导数：物理意义 64

3.2 由随体导数表示的欧拉方程 65

3.3 边界条件 66

3.4 欧拉方程的讨论 66

3.5 欧拉方程解的重要意义 66

4 纳维尔斯托克斯方程 66

4.1 纳维尔斯托克斯方程的展开式 66

4.2 相似参数 67

4.3 边界条件 68

4.4 纳维尔斯托克斯方程的讨论 68

4.5 纳维尔斯托克斯方程解的重要意义 68

5 边界层方程 68

5.1 背景 68

5.2 边界层特性 68

5.3 边界层方程 70

5.4 边界层方程的解 71

6 化学反应流动方程 71

6.1 化学反应流动的重要性：高超声速飞行与燃烧 71

6.2 化学反应流动的性质 71

6.3 高温空气的化学反应 72

6.4 真实气体与理想气体的定义 72

6.5 气体的分类 73

6.6 化学反应流动控制方程 74

参考文献 75

扩展阅读 75

第3部分 不可压缩流体和空气动力学 79

第5章 位势流 79

1 引言 79

2 位势流问题 79

3 伯努利方程 80

4 求解位势流问题的一般方法 80

5 二维空间的基本解 81

5.1 点源 81

5.2 偶极子 81

5.3 二维涡旋 82

6 三维空间的基本解 83

6.1 点源 83

6.2 基本方案：偶极子 83

6.3 三维涡旋 83

7 举例：圆柱绕流 83

8 圆柱绕流的升力 84

9 结束语 85

参考文献 85

第6章 二维翼型绕流 86

1 问题的定义 86

2 厚度和升力问题的分解 87

3 一定攻角下的零厚度翼型 87

4 升力问题的经典解 88

5 薄翼型上的气动力和气动力矩 89

6 集中涡流单元 91

7 薄翼型理论的总结与结论 92

8 薄翼型理论的不足 92

参考文献 92

第7章 有限展长翼的不可压缩流动 93

1 引言 93

2 升力线模型 93

3 椭圆升力分布的求解 95

4 细长翼理论 97

5 复杂外形的三维解：面元法 99

6 结论 101

参考文献 101

第8章 层流边界层 102

1 引言 102

2 边界层方程 103

2.1 压力梯度的影响，边界层分离，旋涡动力学特性 104

3 边界层方程的精确解 105

3.1 平板边界层 107

3.2 楔形流 108

4 近似解 109

4.1 层流中的黏性与无黏耦合 110

5 结论 111

符号表 111

参考文献 112

第9章 流动稳定性与转捩 114

1 引言 114

2 二维流动稳定性分析 114

2.1 线性稳定性理论概述 114

2.2 B1asius边界层流动 116

2.3 Falkner-Skan剖面：压力梯度效应 117

2.4 高雷诺数下TS波的瑞利方程和结构 118

2.5 瑞利理论 119

2.6 三维扰动 119

3 边界层的接受性 120

4 壁面层转向湍流的方式 120

5 转捩预测：模态增长（A途径） 121

6 结论 122

致谢 122

参考文献 122

第10章 湍流边界层 125

1 引言 125

2 基本考量 126

2.1 雷诺分解 126

2.2 湍流边界层的尺度 126

2.3 普朗特边界层近似 127

2.4 自相似性 127

2.5 雷诺应力与速度谱 128

2.6 内外交互作用 129

3 复杂流动扭曲边界层 130

3.1 额外应变率 130

4 挑战与展望 131

参考文献 131

第11章 非定常空气动力学 133

1 引言 133

2 涡旋脱落引起的非定常流动 133

3 升力的产生 134

4 颤振现象 135

5 涡旋脱落引起的推力 135

6 动态失速现象 135

7 波的传播引起的非定常流动 135

8 涡轮机械中的非定常流动 137

9 斯特劳哈尔数：流动不稳定性的度量 138

10 非定常流动方程 138

11 非定常流动分析方法 139

12 总结 140

参考文献 140

第12章 大攻角空气动力学 142

1 引言 142

2 流动型态 142

3 涡升力 143

4 涡破碎 143

5 涡的不稳定性 144

6 机翼和垂尾抖振 145

7 非定常流动中的前缘涡 146

8 机翼振动 146

9 多重涡 147

10 涡控制技术 148

11 总结 148

符号表 148

致谢 148

参考文献 149

第13章 导弹空气动力学 150

1 引言 150

2 零攻角导弹 150

2.1 波阻 152

2.2 等值法则或面积律 152

3 小攻角导弹 153

3.1 交叉流分析 154

3.2 细长翼升力 154

4 大攻角导弹 155

5 总结 156

参考文献 156

第14章 旋翼飞行器空气动力学 158

1 引言 158

2 气动环境 158

3 旋翼分析的总体理论 159

3.1 盘旋飞行 159

3.2 垂直升降 161

3.3 前行 162

4 旋翼分析的叶素方法 163

4.1 诱导速度场 165

5 非定常空气动力学 166

6 综合分析 167

7 进阶的分析方法 167

8 总结 168

参考文献 168

第15章 气动流控制 170

1 引言 170

2 度量参数 171

2.1 稳定吸气和吹气 171

2.2 周期摄动 171

2.3 频率度量 172

2.4 扩展参数范围与技术比较 172

3 AFC的应用领域 173

4 AFC的计算方法 174

4.1 CFD方法 175

4.2 主动流动控制的CFD验证 176

5 结论与展望 177

符号表 177

参考文献 177

第16章 低雷诺数固定翼飞行器空气动力学 181

1 引言 181

1.1 低雷诺数翼型流动问题 181

1.2 分离泡 182

1.3 翼型设计 182

2 风洞验证 183

2.1 风洞 183

2.2 端板的影响 184

2.3 湍流强度的影响 185

2.4 机翼弯度的影响 185

2.5 低展弦比机翼空气动力学 185

3 微型飞行器 186

致谢 187

符号表 187

参考文献 187

第17章 扑翼空气动力学 190

1 引言 190

2 量纲为1量、运动学特性和控制方程 191

2.1 扑翼飞行的运动学特性 192

2.2 雷诺数 192

2.3 斯特劳哈尔数和简约频率 192

2.4 控制方程 193

3 扑翼飞行器非定常空气动力学 193

3.1 扑动机制[Re：O(101)～O(104)] 193

3.2 上仰旋转[Re：O(102)～O(103)] 193

3.3 尾迹捕捉[Re：O(102)～O(104)] 193

3.4 前缘涡[Re：O(102)～O(104)] 194

3.5 翼尖涡[Re：O(102)～O(104)] 196

4 结构翼的柔性 197

4.1 标度律 197

4.2 翼结构的柔性对扑翼空气动力学的影响 197

5 总结 197

符号表 198

致谢 199

参考文献 199

第18章 地面效应空气动力学 200

1 引言 200

1.1 定义 200

1.2 历史背景：地效飞行器 200

1.3 历史背景：地效赛车 201

2 理论解释 202

2.1 飞行器地效空气动力学 202

2.2 赛车地效空气动力学 203

3 地面效应预测 204

3.1 二维流动简化的计算方法 204

3.2 解析方法 204

3.3 计算流体动力学（CFD） 205

3.4 机翼飞过平静和波动的水面 205

3.5 极近地效区域的非线性现象 206

4 试验方法 206

4.1 镜像模型方法 206

4.2 拥有边界层吸气功能的接地平板 206

4.3 运动带方法 206

4.4 拖曳模型方法 207

5 地面效应对气动性能的影响 207

5.1 飞行器的起飞和着陆 207

5.2 近地直升机旋翼构型 207

5.3 地效运载工具 207

5.4 近地飞行器稳定性 207

6 结论 208

参考文献 208

第19章 编队飞行的气动效益 210

1 引言 210

2 双机编队 210

2.1 总诱导阻力的计算 211

2.2 诱导阻力随横向间隔的变化 212

3 多机编队 213

3.1 诱导阻力随横向间隔的变化 213

4 V形编队 214

5 结论 214

致谢 215

相关章节 215

参考文献 215

第20章 飞行器尾涡 217

1 引言 217

1.1 飞行器产生的涡旋 217

1.2 尾涡的潜在危险 218

2 中部尾迹 218

2.1 二维模型 218

2.2 飞行器参数 219

2.3 涡龄 221

3 衰退机制 222

3.1 涡量输运方程 222

3.2 二维衰退 222

3.3 湍流的影响 222

3.4 三维衰退机制 223

4 涡流检测 225

5 结论和展望 226

参考文献 226

第4部分 可压缩流动——亚声速到超声速 231

第21章 可压缩流动简介 231

1 可压缩物质状态和流动分区 231

2 基本的可压缩流动 232

3 控制方程 233

4 状态方程 234

5 结论 234

注释 234

参考文献 235

扩展阅读 235

第22章 复杂内部可压缩流动 236

1 控制体分析 236

2 变截面管道定常流动 236

3 加热和摩擦定常流动 237

4 喷管启动与壅塞现象 237

5 激波串 237

6 激波管 238

7 有棱弯管 238

8 冲压／超燃冲压喷气发动机 240

9 喷射器 240

10 结论 241

符号表 242

参考文献 242

第23章 外部跨声速流动 244

1 引言 244

2 跨声速流动基础 244

2.1 压力系数 244

2.2 二维机翼流动 245

2.3 机翼压缩效应 245

2.4 马赫波与激波 246

2.5 二维机翼上的激波 246

2.6 机翼上的黏性流动效应 246

2.7 激波诱导边界层分离 247

3 跨声速气动设计 247

3.1 掠翼设计 247

3.2 掠翼的应用 248

4 结论 249

致谢 249

参考文献 249

第24章 复杂激波现象 251

1 引言与实例 251

1.1 几何复杂性：外流空气动力学 251

1.2 物质的复杂性：混合材料的影响 251

1.3 物理复杂性：超新星爆炸 252

2 基本分析 252

3 实验与观察研究 253

4 数值模拟 254

5 校核、验证和不确定性 254

致谢 255

注释 255

参考文献 255

第25章 激波边界层相互作用 257

1 引言 257

2 SBLI的基本特征 257

2.1 SBLI流动特性 258

2.2 重要的流动参数 259

2.3 自由相互作用理论 259

2.4 相互作用长度 259

3 激波诱导分离 260

3.1 跨声速激波诱导分离 261

3.2 超声速激波诱导分离 261

3.3 超声速相互作用流场 262

4 SBLI的非定常性 262

5 后掠SBLI 263

6 结论 264

致谢 264

参考文献 264

第26章 可压缩湍流混合的基本原理 266

1 引言 266

2 平板混合层 266

2.1 不可压缩平板混合层 266

2.2 可压缩平板混合层 267

2.3 模拟可压缩混合层 268

3 射流 269

4 结论 270

符号表 270

参考文献 270

第27章 旋翼飞行器压缩效应 272

1 引言 272

2 前进桨叶上的压缩效应 273

2.1 压缩效应对前行桨叶力和力矩的影响 273

2.2 高速脉冲噪声 274

3 后行桨叶的压缩效应 275

4 结论 276

参考文献 276

第28章 非定常跨声速空气动力学 277

1 引言 277

2 非定常跨声速现象 277

3 跨声速机翼摇滚和机翼下倾 279

4 跨声速颤振和极限环振荡 280

5 跨声速操纵面嗡鸣 281

6 颤振 281

7 直升机的非定常跨声速气动力 281

8 非定常跨声速涡轮机空气动力学 282

9 分析方法 282

10 总结 283

参考文献 283

第29章 风洞实验在CFD验证中的作用 284

1 引言 284

2 CFD验证的实例 285

2.1 定常／非定常绕翼流动和圆柱绕流 285

2.2 二维／三维非定常流动构型中的动态失速 291

3 风洞实验和CFD的综合利用 292

4 结论 294

致谢 294

参考文献 294

第5部分 高超声速稀薄气体动力学 299

第30章 高超声速流动概述 299

1 概述 299

2 高超声速飞行环境 299

3 飞行任务和飞行器的考虑——气动热力学 301

4 高超声速飞行中的重要气动现象 302

4.1 高超声速无黏和黏性效应 303

4.2 稀薄气体流动和高空效应 304

4.3 高温效应 304

4.4 稳定性、转捩和湍流 305

4.5 热防护系统、气体壁面相互作用及烧蚀 306

4.6 热辐射 306

4.7 电离和基于等离子体的流动控制 307

5 总结 307

致谢 308

相关章节 308

参考文献 308

第31章 高超声速流动分析基础 310

1 引言 310

2 无黏高超声速空气动力学 310

3 小扰动理论和高超声速相似率 310

4 牛顿流动理论 311

5 基本的高超声速激波关系 312

6 切锥和切楔近似 312

7 截面等效原理 313

8 冲击波理论 313

9 黏性高超声速空气动力学 314

10 高超声速边界层理论 314

11 滞止区的自相似解 315

12 参考焓方法 316

13 熵层 316

14 压力相互作用 316

15 结论 318

参考文献 318

第32章 分子动力学和物理气体动力学 319

1 引言 319

2 分子能量模式 320

3 对于单原子气体的玻尔兹曼方程 320

3.1 玻尔兹曼方程的展开和合并（BE） 321

3.2 麦克斯韦速度分布 321

4 解决方法 322

4.1 基于时刻的方法 322

4.2 分析方法：Chapman-Enskog解决方法 323

4.3 分子方法 323

4.4 玻尔兹曼方程的数值解 324

5 迁移特性 324

致谢 325

参考文献 325

第33章 高超声速飞行中的高温效应 327

1 引言 327

2 重要的热化学效应 327

2.1 热化学非平衡态 327

2.2 振动离解耦合 328

2.3 有限速率的壁面催化作用 328

2.4 非平衡热辐射 328

2.5 低密度效应 329

2.6 其他效应 329

3 守恒方程 329

3.1 质量守恒 329

3.2 动量守恒 329

3.3 总能量守恒 330

3.4 振动能量守恒 330

3.5 额外的内能守恒方程 330

3.6 电场方程 331

4 状态方程 331

5 扩散速度、剪应力和热通量 332

6 内能弛豫速率 332

7 化学源项 333

8 边界条件 334

9 流场举例——马赫数为8的乘波流 334

10 总结 335

致谢 336

参考文献 336

第34章 高超声速转捩和湍流 339

1 层流湍流转捩现象 339

2 高超声速转捩机制 340

3 高超声速转捩预测方法 340

4 高超声速湍流边界层 341

5 高超声速平板流动的半经验工程模型 343

5.1 速度尺度和表面摩擦 343

5.2 传热 344

5.3 粗糙度理论 344

6 结论 345

相关章节 345

参考文献 345

第35章 超声流中的非连续现象 347

1 引言 347

2 连续与非连续流动区域 347

3 非连续流的计算 348

4 在高速流中的非连续效应 349

4.1 冲击波 349

4.2 气体表面的相互作用 349

5 非连续高超声速空气热力学 350

5.1 实验室中各DSMC结果的比较 350

5.2 DSMC和CFD结果比较 352

5.3 在非连续系统下对超高声速飞行的研究 352

6 结束语 354

致谢 354

参考文献 354

第36章 等离子体动力学与流动控制 356

1 引言 356

2 空气中的电离机制 356

3 应用 357

3.1 磁流体流动控制 357

3.2 电流体流动控制 360

3.3 基于加热的流动控制 360

3.4 通信 362

4 前景 362

参考文献 362

第6部分 传热和热物理学 367

第37章 传热与热物理学基本原理 367

1 热传导 367

2 对流传热 368

3 辐射传热 369

4 混合模式 370

5 分析热场的连续方法 370

6 总结 371

符号表 371

参考文献 371

第38章 传热的工程分析 373

1 热阻概念在不同传热模式中的应用 373

2 实际应用问题的能量平衡方法 374

3 对流传热的相关性 375

4 传热设备的分析方法 376

4.1 LMTD方法 376

4.2 NTU方法 377

5 进一步的讨论 377

符号表 377

参考文献 377

第39章 传热强化：相变、几何特性与射流／喷雾 378

1 相变 378

1.1 池内沸腾 378

1.2 流动沸腾 380

2 几何特性 381

2.1 扩张表面 381

2.2 微通道 382

3 射流喷雾 383

3.1 射流冲击 383

3.2 喷雾冷却 384

参考文献 385

第40章 航天器热管理 387

1 引言 387

2 航天器热控制概述 387

2.1 被动热控系统 387

2.2 主动热控系统 388

2.3 监控子系统 390

2.4 TCS整体设计 391

3 结论 393

参考文献 394

第41章 热管和热虹吸管 396

1 热管 396

1.1 工作原理 396

1.2 管芯结构 397

1.3 工质 397

1.4 新热管技术 397

2 热虹吸管 399

参考文献 399

第7部分 计算流体力学 403

第42章 计算流体力学简介 403

1 计算流体力学（CFD）的诞生与发展 403

2 CFD与航空航天领域 403

2.1 20世纪80年代以前的CFD 403

2.2 20世纪80年代的CFD 404

2.3 20世纪90年代的CFD 405

2.4 21世纪的CFD 405

3 计算流体力学（CFD）的原理 406

3.1 离散化 406

3.2 一致性 406

3.3 稳定性 407

3.4 收敛性 408

3.5 单调性 408

3.6 守恒性 408

3.7 不可逆性 409

4 分析工具 409

4.1 冯·诺伊曼分析 409

4.2 耗散与色散分析 410

4.3 修正方程 410

4.4 限制器 410

5 流动求解器的分析 412

5.1 物理模型 412

5.2 基本的离散和网格 412

5.3 对流项和黏性项的空间离散化 413

5.4 时间离散 413

6 结束语 413

参考文献 413

第43章 基于湍流流动实验的CFD验证和确认 415

1 背景 415

2 亚格子尺度问题 416

2.1 SGS的敏感性 417

3 超网格尺度问题 417

4 入流和初始条件 418

4.1 特征入流 419

4.2 湍流入流 420

5 结论 421

致谢 422

参考文献 422

第44章 航空航天工程中的黎曼求解器 424

1 引言 424

2 数值方法：有限体积法 424

2.1 守恒型方程 424

2.2 有限体积法 424

2.3 有限体积法的例子 425

2.4 一般设置的有限体积法 426

3 黎曼问题 426

3.1 解的结构 427

3.2 求解黎曼问题的方法 427

4 黎曼求解器的例子：三维多组分流动的HLLC 428

5 蓝图和结论 429

参考文献 429

第45章 网格生成技术 431

1 引言 431

2 网格生成策略和技术 431

2.1 结构网格系统 432

2.2 非结构网格系统 433

2.3 自适应网格生成 436

2.4 网格生成过程 437

2.5 网格软件、工具和详细信息 437

3 未来发展趋势和关键技术 437

参考文献 438

第46章 CFD的高性能计算 440

1 引言 440

2 引例 441

3 HPC设计和软件环境的里程碑 442

4 算法和性能估算 444

5 HPC的机遇 447

参考文献 448

第47章 雷诺平均方法 450

1 引言 450

2 湍流模型 451

2.1 基本约束条件以及假设 451

2.2 模型分类 452

2.3 线性涡黏模型（LEVM） 452

2.4 各向异性模型 454

2.5 模型验证 457

注释 459

参考献 459

第48章 大涡模拟 461

1 引言 461

2 显式LES 462

2.1 函数模型 462

2.2 结构模型 462

3 隐式LES 462

4 LES的应用 463

5 LES的可靠性与验证 465

6 结论 466

注释 466

参考文献 466

第49章 直接数值模拟 467

1 引言 467

2 雷诺数限定 467

3 空间离散 468

3.1 谱方法 468

3.2 有限差分方法 469

4 时间离散 470

5 边界条件和初始条件 471

6 代码验证和分辨率准则 472

注释 472

参考文献 473

扩展阅读 473

第50章 稀薄气体流动的计算模型 474

1 引言 474

2 扩展流体力学 475

2.1 修改表面边界条件 475

2.2 基于动量的方程 475

3 玻尔兹曼方程 477

4 蒙特卡洛直接模拟方法 478

5 混合方法 480

5.1 混合DSMC／CFD 481

5.2 混合玻尔兹曼／CFD 481

参考文献 482

第51章 包含微重力应用和空间应用的多相流计算建模 484

1 引言 484

2 多相流数值算法 484

2.1 分界面表示 485

2.2 分界面动力学建模 486

2.3 存在的挑战与近期的研究进展 486

3 基于标记的三维自适应欧拉拉格朗日法 487

3.1 基于标记的分界面表示 487

3.2 指示函数 488

3.3 流体分界面的处理：连续分界面方法 489

3.4 固体分界面的处理：突变分界面方法 489

3.5 接触线的处理 489

3.6 拓扑变化：分界面重构 489

3.7 自适应网格 490

4 微重力流动应用与空间应用 491

4.1 一对液滴碰撞 491

4.2 航天器燃料箱中冷却剂的晃动 491

4.3 飞行器推力振荡时液体燃料的表面稳定性 492

5 结论 492

致谢 492

参考文献 492

第52章 计算流体力学中的优化方法 494

1 气动设计简介 494

2 气动优化和控制理论 495

3 设计构思 496

4 设计优化过程 496

5 利用保角变换设计势流翼型 497

6 利用欧拉方程设计机翼 498

7 设计案例分析 500

7.1 二维跨声速翼型的研究 500

7.2 鲨鱼赛车设计 502

7.3 超级波音747 502

7.4 跨声速商务喷气机外形优化 502

8 结论 503

致谢 503

参考文献 503

第53章 自适应网格和重叠网格方法 505

1 引言 505

2 自适应网格加密 505

3 重叠网格 506

4 应用 509

5 总结 510

参考文献 511

第54章 计算流体力学中的求解方法和加速技术 512

1 引言 512

2 稳态求解方法 512

2.1 显式单级方法 514

2.2 显式多级方法 514

2.3 隐式方法和亏损修正 515

2.4 CFD的多重网格法 515

3 时间精确求解方法 516

3.1 双时间迭代 516

3.2 两种可行的方法 516

4 结论 516

注释 517

参考文献 517

第55章 燃烧计算 519

1 引言 519

2 物理现象和公式 520

2.1 控制方程 521

2.2 数值模拟中的化学动力学难题 521

2.3 滤波模型和方程求解 522

3 数值和计算问题 523

3.1 数值算法和精度 523

3.2 并行运算和成本 524

3.3 分析和后处理 524

4 算例结果 524

5 前景展望和挑战 527

参考文献 527

第56章 计算流体力学的格子玻尔兹曼方法 529

1 格子玻尔兹曼方程 529

1.1 数学背景 529

1.2 大涡模拟 530

1.3 边界条件 530

1.4 液液和液面相互作用 531

2 计算流体力学中的应用 531

2.1 不可压衰减湍流的DNS 531

2.2 光滑球体绕流的LES 533

2.3 悬浮颗粒／微粒悬浮 533

2.4 倾斜表面上液滴的滑动 534

2.5 通过多孔介质的流动 534

3 结论与展望 535

致谢 535

参考文献 535

第57章 间断伽辽金方法 537

1 引言 537

2 算法 537

2.1 一维守恒律的DG格式 537

2.2 时间离散 538

2.3 非线性限制器 539

2.4 多维系统概述 539

2.5 对流扩散方程 540

3 两个例子 540

4 结论 542

参考文献 542

第58章 隐式CFD方法和非结构网格 544

1 引言 544

2 双时间步方法 545

3 隐式时间方法 545

3.1 雅可比矩阵的结构 545

3.2 分解方法 546

3.3 迭代方法 547

3.4 简化的雅可比方法 547

4 加速技术 548

4.1 多重网格方法 548

4.2 Krylov方法 549

5 时间步和启动的影响 550

6 并行计算 550

7 展示结果 550

8 结论 551

相关章节 551

参考文献 551

第59章 计算磁流体力学 553

1 引言 553

2 MHD方程 553

3 MHD黎曼问题 554

4 数值格式 555

5 耗散 556

6 非物理激波 556

7 结论 557

参考文献 557

第8部分 流体动力学和热力学实验技术 561

第60章 风洞设计基础 561

1 引言 561

2 设备特性 561

2.1 驱动系统 562

2.2 工作介质 562

2.3 管道回路 562

2.4 测试段气流品质 563

3 风洞设计 563

3.1 设计准则 563

3.2 组件设计准则 564

4 设备描述 566

4.1 流动均匀性 566

4.2 湍流描述 566

4.3 声学和振动 567

5 结论 567

相关章节 568

符号表 568

参考文献 568

第61章 直接喷射技术的流动可视化 570

1 引言 570

1.1 直接喷射可视化技术简介 570

1.2 本章的目标 570

2 直接喷射可视化标记处理 571

2.1 烟雾喷射标记 571

2.2 烟丝技术 571

2.3 化学反应制造传播媒介 571

2.4 氦气泡作为传输介质 572

2.5 标记介质的选择 572

3 直接喷射技术 572

3.1 来流烟耙子和管道 572

3.2 通过模型引入媒介 573

4 直接喷射流动可视化技术实例 573

4.1 高性能飞行器组件上复杂流动结构的烟可视化 573

4.2 烟丝下轴对称射流的不稳定性 576

4.3 尾涡不稳定性的氦气泡可视化技术 577

5 总结 578

致谢 578

参考文献 578

第62章 光学流动显示 580

1 光学流动显示的基本原理 580

2 影像图 580

3 纹影 581

4 云纹折射法 582

5 干涉测量法 583

5.1 差分干涉测量法 583

5.2 参考光束干涉法 583

6 光学层析成像 584

7 结论 584

致谢 585

参考文献 585

第63章 压力与速度测量 586

1 引言 586

2 压力测量 586

2.1 固体表面的压力测量 586

2.2 压力测量传感器 587

2.3 管的声学特性和试验校正 588

3 多孔探针的操作原理与设计 589

3.1 多孔探针的操作原理 589

3.2 一孔、三孔、五孔、七孔、十二孔及十八孔探针 590

3.3 尖端／颈部形状及压力测量 591

4 测量过程 591

4.1 校准设备 592

4.2 测量数学关系及测量过程 593

4.3 数据减少过程 593

4.4 超声速流动的校准 594

4.5 高频响应探针的校准 594

5 探针干扰 595

6 总结 595

参考文献 595

第64章 剪应力测量 597

1 引言 597

2 剪应力、测量尺度和挑战 597

2.1 湍流中的小尺度流动 598

2.2 测量和应用中的挑战 598

3 剪应力测量技术概述 599

3.1 间接测量技术 600

3.2 直接测量技术 600

4 常规技术和发展中的技术 601

4.1 小区域的平均测量油膜干涉法 601

4.2 用于点测的速度场法 602

4.3 表面测量的微型基柱法 602

4.4 用于平均和波动测量的浮动单元平衡 602

5 剪应力传感器校准 603

5.1 静态校准 603

5.2 平均剪应力校准 603

5.3 动态校准 604

6 结论 604

参考文献 604

第65章 热力式风速仪 606

1 引言 606

2 单个热丝探针上的流动 607

3 传感器 609

3.1 频率响应 610

3.2 角灵敏度 610

4 空间和时间分辨率 611

5 涡量、应变率和耗散的测量 612

6 超声速流动中的热丝风速仪 614

7 微纳米传感器 614

8 结论 614

致谢 614

参考文献 615

第66章 激光多普勒测速仪 617

1 测量原理 617

2 光学配置 618

2.1 发射光学 618

2.2 接收光学器件 619

2.3 系统配置 620

3 信号处理 623

4 数据处理 624

5 空气动力学应用中的问题 625

相关章节 626

参考文献 626

第67章 粒子图像测速 629

1 引言 629

2 流动示踪 631

2.1 示踪剂的物理特性 631

2.2 投放技术 632

3 照明和成像 633

3.1 片光源 633

3.2 成像 633

3.3 数字记录 634

4 图像判读 635

4.1 动态范围 635

4.2 多步／多格视图 636

5 后处理 637

5.1 数据简化 638

注释 638

参考文献 638

扩展阅读 639

第68章 光谱学及散射技术 640

1 引言 640

2 激光吸收光谱学 640

3 瑞利散射 641

4 拉曼散射 643

5 激光诱导荧光 643

6 连续反斯托克斯拉曼散射 645

7 总结 645

参考文献 646

第69章 温度和热传递的测量 648

1 引言 648

2 电阻式温度传感器 649

2.1 金属电阻式传感器 649

2.2 电阻式温度传感器桥接电路 649

2.3 热敏电阻 649

3 热电偶 650

3.1 热电偶的工作原理 650

3.2 热电偶中虚假信号的产生 652

3.3 热电偶的热电定理 652

3.4 热电偶补偿 652

3.5 多热电偶排布 652

3.6 热电偶的特殊用途 652

4 双金属温度传感器 653

5 二极管温度传感器 653

6 液晶温度计 653

7 红外温度计和高温计 655

8 热传递测量 655

9 结论 656

致谢 656

参考文献 656

第70章 风洞的气动力和气动力矩测量 658

1 定义 658

1.1 坐标系 658

1.2 风洞 659

1.3 模型和支撑系统 659

2 天平类型及常用术语 660

2.1 天平类型 660

2.2 常用术语 660

3 应变天平的发展 660

3.1 应变天平的设计要求 661

3.2 应变天平的结构设计 661

3.3 应变天平的单元布置 661

3.4 应变天平的结构尺寸 661

3.5 应变天平测量单元中的应变计算 663

3.6 天平单元的强度校核与刚度计算 663

3.7 天平测量线路的布置 663

3.8 天平校准 663

4 低速风洞中的气动力和气动力矩测量 663

4.1 风洞、模型和测试条件 663

4.2 支撑系统 663

4.3 数据采集和处理 663

4.4 典型的测试结果 664

5 高速风洞中的气动力和气动力矩测量 664

5.1 风洞、模型和测试条件 664

5.2 模型姿态和支撑系统 664

5.3 数据采集、处理和修正 665

5.4 测试结果 665

6 高超声速风洞中的气动力和气动力矩测量 666

6.1 风洞和测试条件 666

6.2 模型姿态和支撑系统 666

6.3 数据采集、处理和修正 666

6.4 测试结果 666

7 总结 666

符号和缩略语 667

参考文献 667

附录1 《航空航天科技出版工程》英文版编写委员会 668

附录2 《航空航天科技出版工程1 流体动力学与空气热力学》英文版参编人员 671

索引 675