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飞行器空气动力学北京航空航天大学经典课件-绪论

航天工程中空气动力学的重要性飞行器设计空气动力学决定了飞行器在不同飞行状态下的受力情况，是飞行器设计中至关重要的学科。飞行器性能空气动力学影响飞行器的升力、阻力、操控性等关键性能，直接关系到飞行器的飞行效率和安全。飞行器安全空气动力学研究可以保证飞行器在起飞、降落、飞行过程中安全运行，避免发生意外事故。

航天工程中空气动力学的相关问题空气动力学力的计算准确计算飞行器在不同飞行状态下的空气动力学力，包括升力、阻力和侧力，是飞行器设计和控制的关键。飞行器稳定性和控制保证飞行器的稳定性，使其能够在不同的飞行条件下保持稳定的姿态，并能够有效地进行控制。气动加热问题高速飞行时，飞行器表面会受到空气摩擦产生的高温，需要设计有效的热防护系统，避免飞行器过热。

空气动力学的基本概念气体动力学研究气体在运动中的行为和规律。气动力气体作用在物体上的力，包括升力、阻力、侧力等。流体流动气体在物体周围的流动，包含各种流动状态和现象。

流体的物理性质密度单位体积的质量，表示流体紧密程度。粘度流体抵抗剪切变形的能力，描述流体流动时的内摩擦力。表面张力流体表面分子间相互吸引力，导致液体表面收缩的现象。压缩性流体在压力作用下体积变化的程度，影响流体运动规律。

流体的基本运动方程1质量守恒定律2动量守恒定律3能量守恒定律流体的基本运动方程描述了流体的运动规律，包括质量、动量和能量的守恒定律。这些方程是流体动力学的基础，用于分析和预测流体的运动行为。

质量守恒定律定义在封闭系统中，无论发生何种物理过程，系统的总质量始终保持不变。公式ρV=常数应用计算气流密度和体积变化。

动量守恒定律牛顿第二定律流体微元动量变化率等于作用于微元的外力。积分形式流体系统动量变化率等于作用于系统的外力。

能量守恒定律1能量守恒系统内能量总量保持不变。2能量转化能量可以从一种形式转化为另一种形式。3能量守恒方程描述能量守恒定律的数学表达式。

流体流动的基本特征连续性流体流动通常被认为是连续的，这意味着它可以被视为一个连续的介质，而不是由离散的粒子组成的。粘性流体具有粘性，这表明流体层之间存在摩擦力，导致能量损失。可压缩性流体在压力变化下体积发生变化，这种性质被称为可压缩性。

流动速度的定义流体运动中，流体质点在单位时间内移动的距离，称为流速。流速的大小用流体质点在单位时间内运动的距离表示，方向与流体质点的运动方向一致。流速通常以米每秒（m/s）或公里每小时（km/h）为单位进行测量。

流速和马赫数的关系流速流速是指流体运动的速度。马赫数马赫数是指流体速度与当地声速的比值。

压力、密度和温度之间的关系1压力流体在单位面积上所受到的力。2密度流体的质量与其体积的比值。3温度流体分子平均动能的反映。

等熵过程和比热容的关系等熵过程比热容热力学过程，系统熵保持不变物质在温度变化时吸收或释放热量的能力等熵过程中的比热容称为等熵比热容等熵比热容反映了物质在等熵过程中的热力学特性

气体状态方程的应用1计算密度根据温度和压力计算气体密度。2计算速度根据气体密度和动量计算速度。3计算压力根据气体密度和温度计算压力。4计算温度根据气体密度和压力计算温度。

流体在固体表面的运动粘性流体分子之间存在内摩擦力，导致流体运动时能量损耗。这称为粘性，它影响流体在固体表面的运动。边界层流体在固体表面附近形成一层薄薄的层，称为边界层。在这个层内，流体速度从零到自由流速度逐渐变化。摩擦阻力流体在固体表面上的运动会产生摩擦阻力，这是由于流体粘性导致的能量损失。

边界层理论的基本概念层流边界层流体流动保持平滑且有序。湍流边界层流体流动变得不规则且混乱。

湍流边界层的特性不稳定性湍流边界层以其不规则的运动和随机性而著称，流动速度和方向在时间和空间上不断变化。高动量交换湍流边界层中的动量交换比层流边界层强得多，导致流动速度和温度的快速变化。高能量耗散湍流边界层中的能量耗散率很高，导致流体内部摩擦力和热量损失增加。

边界层分离的概念边界层分离当边界层流动遇到障碍物或流动方向发生改变时，边界层可能会发生分离。当流动分离时，边界层不再紧贴物体表面，而是从表面脱离。分离点边界层分离的起始位置称为分离点。在分离点，边界层速度为零，压力达到最大值。分离的影响边界层分离会导致气动力的改变，例如升力的减少和阻力的增加，还会引起流动的不稳定性。

气动力系数的定义定义气动力系数是用来描述气动力大小和方向的无量纲量。升力系数：CL阻力系数：CD侧力系数：CY俯仰力矩系数：Cm滚转力矩系数：Cl偏航力矩系数：Cn应用气动力系数可以用来计算飞行器的升力、阻力和力矩。这些信息对于设计和分析飞行器至关重要。

升力系数和阻力系数的计算升力系数升力系数(Cl)是升力与空气动力学参考面积之比，反映了机翼的升力