目錄
前言
緒論 1
0.1 空氣動力學的研究對象、范圍及分類 1
0.2 歷史概述 2
0.2.1 公元前到19世紀的流體力學發(fā)展 2
0.2.2 20世紀：空氣動力學建立完整體系 3
0.3 空氣動力學的研究方法 4
0.3.1 理論分析方法 4
0.3.2 試驗方法 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 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)點與流體微團 9
1.2 流體的流動性、黏性與理想無黏流體 9
1.2.1 流體的流動性 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 理想無黏性流體 13
1.2.6 氣體的導熱性 14
1.3 完全氣體的熱力學特性 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 熱力學第一定律、焓和比熱容 16
1.3.4 熱力學第二定律和熵 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 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/流動與可壓縮流體/流動 23
1.4.4 采用馬赫數(shù)劃分流動范圍的物理內(nèi)涵 23
1.5 作用在流體微團上的力 24
1.5.1 徹體力 24
1.5.2 表面力 24
1.5.3 流體內(nèi)一點處的壓強 25
1.6 流體靜力學 27
1.6.1 流體靜力學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 國際標準大氣 33
1.7.1 大氣分層情況及各層特點 33
1.7.2 國際標準大氣條件計算 35
第2章 流體運動學基礎(chǔ) 37
2.1 流體運動的描述方法和流場 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 42
2.1.5 隨體導數(shù)(物質(zhì)導數(shù)、實質(zhì)導數(shù)、質(zhì)點導數(shù)） 45
2.2 流體運動的幾何描述 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 流體微團的運動分析 55
2.3.1 流體微團運動過程中形狀變化特點 55
2.3.2 流體微團的基本運動形式 56
2.3.3 流體微團中毗鄰點的速度關(guān)系 57
2.3.4 流體微團基本運動形式的分析(數(shù)學表達） 58
2.3.5 亥姆霍茲速度分解定理 62
2.3.6 流動實例分析 65
2.4 有旋流動 71
2.4.1 有旋流動的一般概念、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 渦管強度守恒定理及推論 73
2.4.4 旋渦的誘導速度 75
第3章 流體動力學的基本方程組 78
3.1 引言 78
3.1.1 動力學任務(wù)與基本原則 78
3.1.2 系統(tǒng)(流體微團）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 運動微分方程 88
3.3.1 應(yīng)力形式的運動微分方程 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 積分形式的動量方程 96
3.4.1 積分形式動量方程的推導 96
3.4.2 積分形式動量方程的應(yīng)用 98
3.4.3 積分形式的動量矩方程及應(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 流體動力學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 流動相似與相似參數(shù) 121
3.9.1 流動控制方程和定解條件的無量綱化 122
3.9.2 相似律和相似參數(shù) 125
第4章 理想不可壓平面無旋流動 129
4.1 引言 129
4.2 理想不可壓平面流動的勢函數(shù)與流函數(shù) 131
4.2.1 無旋流動的勢函數(shù) 131
4.2.2 連續(xù)方程與流函數(shù) 132
4.3 不可壓平面無旋動求解概述 136
4.3.1 不可壓平面無旋流的基本方程 136
4.3.2 不可壓平面無旋流求解的物理問題敘述和數(shù)學問題提法 137
4.3.3 方程求解方法 139
4.4 幾種簡單的不可壓平面無旋流動（基本解） 141
4.4.1 直勻流 141
4.4.2 點源與點匯 141
4.4.3 偶極子 144
4.4.4 點渦 146
4.4.5 基本解的小結(jié) 147
4.5 簡單的流動疊加舉例 148
4.5.1 圓柱的無環(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 156
4.6.2 翼型繞流的變換 158
4.6.3 庫塔-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 無黏可壓縮流動 166
5.1 聲速和馬赫錐 166
5.1.1 聲速計算式的導出 166
5.1.2 小擾動影響區(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 激波的形成過程簡述 181
5.3.2 激波的厚度及激波的數(shù)學模型 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 199
5.6 激波-膨脹波理論對超聲速翼型的應(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 203
5.7.1 準一維定常流動的控制方程 204
5.7.2 等熵條件下流動參數(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算 208
5.7.4 拉瓦爾噴管的設(shè)計工況 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 黏性不可壓流動與邊界層 215
6.1 性流體運動特點 215
6.1.1 黏性對流動的影響 215
6.1.2 黏性流體流動的兩種流態(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 庫埃特流動 220
6.2.3 哈根-泊肅葉流動 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 邊界層方程的導出 228
6.4.2 邊界層流動的求解 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 動量積分方程及平板邊界層的近似解 240
6.6.1 卡門動量積分方程 240
6.6.2 平板邊界層的動量積分方程解法 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 湍流平均運動及平均運算 248
6.8.2 不可壓湍流平均運動的質(zhì)量方程和動量方程 249
6.8.3 雷諾應(yīng)力的物理意義及混合長度理論 252
6.8.4 平板湍流邊界層流動特性介紹 254
第7章 翼型與細長旋成體氣動特性的近似計算方法 258
7.1 翼型的幾何描述與空氣動力系數(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 翼型的空氣動力系數(shù) 260
7.2 低速翼型的薄翼理論與氣動特性 262
7.2.1 薄翼型繞流的擾動速度勢及其分解 263
7.2.2 迎角-彎度問題及其求解 266
7.2.3 薄翼型的升力和力矩 269
7.2.4 實用低速翼型的氣動力特性 271
7.3 無黏定常等熵可壓縮流動的速度勢方程 275
7.3.1 全速度勢方程 275
7.3.2 線化的擾動速度勢方程 276
7.3.3 線化的邊界條件 278
7.3.4 線化的壓強系數(shù) 279
7.4 亞聲速線化流動的相似法則 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)學模型的建立 284
7.5.2 線化方程的求解 286
7.5.3 翼面壓強分布和翼型氣動力系數(shù) 287
7.6 細長旋成體理論 291
7.6.1 旋成體的幾何參數(shù)及繞流圖 291
7.6.2 柱坐標下的小擾動線化方程、邊界條件和壓強系數(shù) 293
7.6.3 細長旋成體的軸向繞流 297
7.6.4 小迎角細長旋成體繞流 303
7.6.5 極細長旋成體的氣動特性 308
習題 313
參考文獻 319
附錄A 標準大氣參數(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