南航流体力学chap1b

第一章基础概念本章主要介绍流体力学的基础概念及描述流体运动的方法。

前言：几个问题地球生命的三要素（阳光，空气，水）一直是人们研究的对象，其中的两个都是具有流动性质的物质，它们属于流体。

(看fig-chaptone 中的图1，2)（1）何谓流体：液体和气体，例如空气、水等，它们是生命的三要素（阳光，空气，水）中的两个。

（2）何谓流体力学：研究流体这样一个连续介质的宏观运动规律以及流体与其它运动形态之间的相互作用。

（3）流体力学的研究对象和研究内容：研究对象：流体研究流体的运动规律研究内容：（如流体如何运动、运动时有无规律可循、遵循何种规律等），流体与固体间的相互作用（如流体如何影响固体的运动-飞机，同时流体发生何种变化，又如流体对某些固体产生的作用-海浪对海岸的冲击），流体与流体间的相互作用，如海与气。

（4）流体力学与力学的关系力学————研究机械运动以及它与其它运动形态相互作用的科学。

力学包括：①理论力学：质点、质点组（刚体）的运动规律。

②连续介质力学：弹性力学和流体力学（质点和质点间可以有相对运动）。

可见，流体力学是力学中的一个分支。

流体力学的研究方法——理论、试验、数值计算三大类方法：理论、试验、数值计算，它们相互取长补短，相互促进，彼此影响。

1、理论研究通常在科学抽象（近似）的基础上，利用数学方法求出理论结果。

步骤：（1）对实际运动作分析研究，找出主要因素、次要因素，对运动作简化和近似，形成科学的抽象。

（2）在（1）的基础上设计出理论模型。

（3）根据已有的理论定律以及由表示流体性质的试验公式，形成闭合方程组。

（4）利用数学工具（如偏微分方程、常微分方程、复变函数）对方程组进行数学近似计算，求解。

（5）分析求解出来的结果所揭示的物理量的变化规律，并与实验或观察的结果作比较。

特点：揭示物质运动的内在规律。

目前，只限于较简单的理论模型，因此不满足实际生产的需要。

2、实验研究风洞、水洞、水槽、水电比拟等实验设备中进行模型或实物试验。

154第八章、 管路流體(Flow in pipes)如第二章所述，流體在管路內產生流動的方法，若是由於管路內有壓力降（pressure drop ），例如普通水管内之流場，此類流動稱之為波蘇拉（Poiseuille ）流動。

本章將詳述管路內流體因壓力降而產生之流場，速度分佈(velocity profile)、壓力降(pressure drop)、及層流(laminar flow)與紊流(turbulent flow)之物理現象。

層流及紊流例如下圖之蠟燭火焰上之煙霧，可分為平滑之層流(laminar) 區與紊亂之紊流(turbulent)區。

155 同樣，流體中加入染劑，當流速小時，染劑之流動平滑且穩定，此時流場稱為層流；當速度增加，將會產生一些速度之混亂波動(velocity fluctuation)，此稱為轉換區(transition)；當速度增加夠大，速度之混亂波動變成非常不穩定，此時稱為紊流(turbulent)。

除流體速度外，實驗證明當流體之黏滯力大時，或管路直徑小時，流場較容易成為層流，故用一無因次(non-dimensional) 之參數表示流場之混亂度。

雷諾數(Reynolds number)雷諾數定義如下：νμρL V L V ave ave ==Re 其中 L 為一特徵長度(characteristic length)，在管路流此長度為圓管直徑 D 。

雷諾數之物理意義為：force Viscous force Inertial L LV L V L V ave ave ave ===222Re μρμρ 當雷諾數低於 ~ 2300，流場為層流。

當雷諾數大於 ~ 2300 時，流場變為過度區，當雷諾數大於約 ~4000時流場變為完全之紊流，速度分佈亦會改變，管路中心大部分區域流體速度分佈較層流為平滑，而靠近邊界處流體速度變化很大，故156 最大速度與平均速度之比值較層流為小。

航空动力学中的流体力学基础航空动力学，这个听起来高深莫测的领域，其实与我们的日常生活息息相关。

当我们乘坐飞机翱翔于蓝天，或者惊叹于战斗机的敏捷身姿时，背后都离不开航空动力学的支撑。

而在航空动力学中，流体力学是其重要的基础。

那么，什么是流体力学呢？简单来说，流体力学就是研究流体（包括气体和液体）运动规律的科学。

在航空领域，我们主要关注的是空气这种流体的流动特性。

想象一下，飞机在空气中飞行，就如同船只在大海中航行。

空气对飞机产生各种力的作用，这些力直接影响着飞机的飞行性能、稳定性和操控性。

而要理解这些力的产生和变化，就必须深入研究流体力学。

在航空动力学中，流体的粘性是一个关键的概念。

粘性就像是流体内部的“摩擦力”，它使得流体在流动时产生阻力。

对于飞机来说，减小粘性带来的阻力是提高飞行效率的重要途径。

飞机的外形设计，比如流线型的机身和机翼，就是为了减少空气的粘性阻力。

流体的压强也是一个重要的因素。

当飞机的机翼在空气中运动时，由于机翼上下表面的形状不同，导致空气在流经上下表面时的速度和压强发生变化。

通常，机翼上表面的空气流速快，压强小；下表面的空气流速慢，压强大。

这种压强差就产生了升力，使飞机能够离开地面。

接下来，让我们看看流体的连续性原理。

这一原理指出，在理想流体的稳定流动中，通过同一流管各截面的流量是相等的。

这个原理对于理解飞机发动机进气和排气的过程非常重要。

再说说伯努利原理。

这是流体力学中的一个重要定律，它表明在不可压缩的理想流体中，流速越大的地方，压强越小；流速越小的地方，压强越大。

飞机机翼产生升力的原理，就可以用伯努利原理来很好地解释。

在航空动力学中，对流体流动的研究方法也是多种多样的。

实验研究是其中的重要手段之一。

通过风洞实验，我们可以模拟飞机在不同速度和姿态下的空气流动情况，获取宝贵的数据。

计算流体力学（CFD）则是近年来发展迅速的一种研究方法。

利用强大的计算机和复杂的数学模型，我们可以对飞机周围的流场进行数值模拟，预测飞机的性能和气动特性。

航空器设计中的流体力学分析在现代航空领域，航空器的设计是一项极其复杂且精细的工程，而流体力学在其中扮演着至关重要的角色。

流体力学的原理和分析方法，直接影响着航空器的性能、效率、稳定性和安全性。

要理解航空器设计中的流体力学，首先得明白什么是流体力学。

简单来说，流体力学就是研究流体（包括液体和气体）运动规律以及流体与固体之间相互作用的科学。

对于航空器而言，周围的空气就是我们所关注的流体。

在航空器的外形设计中，流体力学的应用无处不在。

比如，飞机的机翼形状就不是随意设计的。

机翼的上表面通常比下表面更加弯曲，这种特殊的形状被称为“翼型”。

当飞机在空气中飞行时，根据伯努利定律，空气在机翼上表面的流速会比下表面快，从而导致上表面的压力低于下表面，产生了升力。

而且，机翼的前缘和后缘的形状、厚度以及弯度等参数，都需要经过精细的流体力学计算和实验验证。

一个设计良好的机翼能够在保证升力的同时，减小阻力，提高飞行效率。

除了机翼，机身的形状设计也同样重要。

一个流线型的机身能够有效地减少空气阻力，降低飞行时的能量消耗。

例如，战斗机通常具有尖锐的机头和光滑的机身表面，以减少空气的湍流和分离，从而实现高速飞行。

在航空器的发动机设计中，流体力学同样不可或缺。

航空发动机内部的气流流动非常复杂，涉及到进气、压缩、燃烧、排气等多个过程。

通过流体力学分析，可以优化发动机的进气道和排气道设计，提高燃烧效率，增加推力，并降低噪音和排放。

再来说说航空器在飞行中的稳定性和操纵性。

这也与流体力学密切相关。

飞机的垂直尾翼和水平尾翼的设计，就是为了利用空气的作用力来保持飞机的平衡和稳定。

当飞机需要转弯或改变姿态时，通过调整机翼和尾翼上的控制面，改变周围空气的流动状态，从而产生相应的力矩，实现飞行姿态的改变。

在实际的航空器设计过程中，工程师们会使用多种方法来进行流体力学分析。

计算流体力学（CFD）就是其中一种非常重要的工具。

通过建立数学模型和数值计算，可以模拟出航空器周围的气流流动情况，预测其性能和特性。