第一章 基础知识_气体动力学

教材：1.2.3.4.参考书：空气与气体动力学的任务、研究方法及发展流体静力学水力学理论流体动力学润滑理论基本任务：航空、航天、天气预报、船舶、体育运动、22v p constρ+=理想不可压流体伯努利方程空气流过飞行器外部时运动规律y L V ρ∞∞=Γ库塔儒可夫-儒科夫斯基定理假设实际黏性附面层旋涡/涡量Stokes 定理ndA Ω⋅=Γ∫y 翼梢小翼下洗速度诱导阻力有效迎角↓下洗角翼尖尾涡升力↓当地升力等效来流来流实际升力尾涡后掠机翼平直机翼n V 是产生升力/激波的有效速度后掠翼可提高产生激波的Ma cr边条涡边条翼：下表面压力>上表面压力气流旋转涡旋转涡心p 低而V 高流经部位压力低注入机翼表面气流能量推迟分离激波1V a >21V V <()120sh D mV V =−> 激波阻力7发动机气体动力学y 压气机/风扇：气体增压涡轮：气体膨胀8y 音障/音爆/音爆云正激波及阻力弱压缩波斜激波y 音障楔型体超音速运动激波及激波阻力阻力系数↑消耗3/4功率y 活塞发动机高速时螺旋桨效率低、桨尖易产生激波⇒喷气发动机y 降低波阻的超音速气动布局如后掠翼、面积率→蜂腰机身等y 音爆激波面上声学能量高度集中，这些能量让人感受到短暂而极其强烈的爆炸声。

超音速低压气流局部正激波斜激波局部亚音气流超音/亚音气流超音速气流膨胀加速压缩减速尾激波压缩减速y 音爆云激波后气体急剧膨胀降压降温潮湿天气气温低于露点水汽凝结水珠云雾y 亚燃冲压发动机进气道及扩压段斜激波及正激波拉伐尔喷管气流增压至亚音速燃烧室燃烧气流超音速喷出推力超燃冲压发动机进气道/斜激波气流增压且超音速气流超音速喷出航天空气动力学y 可压缩性黏性摩擦生热气流带走加热飞行器表面Ma=2⇒温度≈120侦察机Ma=3⇒温度y 热障结构强度↓刚度↓热能热辐射热传导气动热力学常温常压2000K<T<4000K 9000K<T 分子密度低11空气y 扑动速度均匀来流合速度合力升力推力机动性强举升/推进/悬停/快速变向等动作集于一个扑翼系统大升力利用非定常机制，其升力远高于常规飞行器，能够在低雷诺数条件下飞行。

空气动力学基础知识目录一、空气动力学概述 (2)1. 空气动力学简介 (3)2. 发展历史及现状 (4)3. 应用领域与重要性 (5)二、空气动力学基本原理 (6)1. 空气的力学性质 (7)1.1 气体状态方程 (8)1.2 空气密度与温度压力关系 (8)1.3 空气粘性 (9)2. 牛顿运动定律在空气动力学中的应用 (10)2.1 力的作用与动量变化 (11)2.2 牛顿第二定律在空气动力学中的体现 (13)3. 空气动力学基本定理 (14)3.1 伯努利定理 (15)3.2 柯西牛顿定理 (16)3.3 连续介质假设与流动连续性定理 (17)三、空气动力学基础概念 (18)1. 流体力学基础概念 (19)1.1 流速与流向 (20)1.2 压力与压强 (21)1.3 流管与流量 (22)2. 空气动力学特有概念 (23)2.1 空气动力系数 (25)2.2 升力与阻力 (26)2.3 空气动力效应与稳定性问题 (27)四、空气动力学分类及研究内容 (28)1. 空气动力学分类概述 (30)2. 理论空气动力学研究内容 (31)一、空气动力学概述空气动力学是研究流体（特别是气体）与物体相互作用的力学分支，主要探讨流体流动过程中的能量转换、压力分布和流动特性。

空气动力学在许多领域都有广泛的应用，如航空航天、汽车、建筑、运动器材等。

空气动力学的研究对象主要是不可压缩流体，即流体的密度在运动过程中保持不变。

根据流体运动的特点和流场特性，空气动力学可分为理想流体（无粘、无旋、不可压缩）和实际流体（有粘性、有旋性、可压缩）两类。

在实际应用中，理想流体问题较为简单，但现实生活中的流体大多具有粘性和旋转性，因此实际流体问题更为复杂。

空气动力学的基本原理包括牛顿定律、质量守恒定律、动量守恒定律、能量守恒定律等。

这些原理构成了空气动力学分析的基础框架，通过建立数学模型和求解方程，可以预测和解释流体流动的现象和特性。

气体动力学基础气体动力学是研究气体运动规律以及与其他物体之间相互作用的学科。

它的研究对象包括气体的压力、体积、温度和分子速度等特性，以及这些特性之间的相互关系。

本文将介绍气体动力学的基础概念、理论模型和重要定律。

一、气体分子模型气体分子模型是气体动力学研究的基础，它假设气体是由大量极小的分子组成的。

这些分子之间几乎没有相互作用力，它们以高速不规则运动，并且具有各向同性的特性。

二、理想气体状态方程理想气体状态方程是描述气体状态的基本定律之一。

根据理想气体状态方程，气体的压力（P）、体积（V）和温度（T）之间存在着下列关系：P * V = n * R * T其中，n代表气体的摩尔数，R代表气体常数。

这个方程表明，在一定温度和摩尔数的条件下，气体的压力和体积成反比，而与气体的物理性质（例如分子大小和形状）无关。

三、气体的压强气体分子在容器壁上会产生压力，这种压力被称为气体的压强。

根据气体分子的运动特性，我们可以得到气体的压强与分子速度和撞击频率之间的关系。

通常情况下，气体的压强与气体分子的速度平方成正比。

四、气体的温度气体的温度是指气体分子的平均动能。

根据气体分子模型，气体分子的速度与其温度之间呈正相关关系。

在绝对温标上，温度与气体分子的平均动能之间存在着线性关系。

五、气体的体积气体的体积是气体占据的空间大小。

根据观察和实验结果，气体的体积与其分子数量和分子碰撞的频率有关。

当温度不变时，气体的体积与其压强成反比。

六、亚音速和超音速流动亚音速流动是指气体在流动过程中，流速小于音速的情况。

这种流动模式下，气体能够传递信息，且压力和温度分布相对均匀。

超音速流动则是指气体的流速大于音速。

在超音速流动中，气体的压力和温度存在明显的不均匀分布。

七、伯努利定理根据伯努利定理，沿着气体流动的方向，气体的总能量保持不变。

这意味着当气体流速增大时，气体的压强会降低，从而产生较低的静压力。

八、霍金定理霍金定理是描述亚音速气体流动的基本原理。

空气动力学基础原理与应用空气动力学是研究空气流动对物体运动和空间结构影响的学科，它是现代工程学和航空航天工程的重要组成部分。

在工程和技术应用中，空气动力学被用于设计和优化飞行器、汽车、摩托车、建筑物、桥梁等结构。

本文将介绍空气动力学的基础原理和应用。

一、气体动力学基础气体动力学是空气动力学的基础，研究气体的流动和力学特性。

气体的动力学性质包括压力、密度、速度和温度等参数，这些参数随着空气流动而发生变化。

气体的流动可以分为层流和湍流两种状态。

在层流状态下，气体流动沿着一条直线或曲线运动，并具有稳定和预测性。

在湍流状态下，气体流动呈现为混沌状态，具有不可预测性和不规则性。

二、空气动力学的基本原理空气动力学的基本原理包括如下几个方面：1、伯努利定理伯努利定理是空气动力学的核心原理之一，它描述了气体在不同速度下的压力变化规律。

伯努利定理认为，在气体流动过程中，流速越大，压力越低，反之亦然。

在翼型表面上，气流在表面上方流动的速度比表面下方流动的速度快，因此表面上方的压力低于表面下方的压力。

这种压力差产生的升力是翼型飞行的基础。

2、牛顿定律牛顿定律是描述力学系统的基本原理之一。

在空气动力学中，牛顿定律用于分析物体在气流中运动的动力学行为。

牛顿第一定律认为，除非受到外力的作用，物体将保持匀速直线运动或静止状态。

牛顿第二定律则描述了物体在受到外力作用下的加速度。

在空气动力学中，牛顿定律用于分析物体在气流中所受的阻力和升力。

3、概率论及分布函数在空气动力学中，概率论和分布函数应用十分广泛。

概率论和统计学方法被用于研究气体流动的随机过程和不确定性。

分布函数则用于描述气体动力学参数的变化情况，如速度、压力、密度等参数的空间和时间分布情况。

三、空气动力学的应用空气动力学的应用范围十分广泛，包括下列几个方面：1、航空航天工业航空航天工业是空气动力学的主要应用领域之一。

在飞行器设计和优化中，空气动力学可以帮助设计师选择和优化翼型和飞行速度等参数，以达到最佳的升阻比和燃料效率。

气体动力学是流体力学的一个分支。

在连续介质的假设下，研究了与热力学现象有关的气体运动规律及其与相对运动物体的相互作用。

气体在低速时是不可压缩的流动，其热力学状态的变化可以忽略不计；但是，在高速流动时（例如，马赫数大于0.3），气体的压缩效果不容忽视，其热力学状态也发生明显变化。

气体运动应同时满足流体力学和热力学定律。

气体动力学[1] [2]由流体力学和热力学的紧密结合形成。

书籍目录第一章基础知识第二章是流体运动的基本方程第三章一维稳态流基本方程第四章停滞参数与空气动力功能第五章膨胀波和冲击波1个气体动力学空气动力学始于射弹运动和蒸汽轮机的研究。

随着航空航天业的蓬勃发展，出现了许多新的分支机构。

高温气体动力学高温气体动力学。

研究了高温气体的流动规律及其伴随的理化变化，能量传递和转化规律。

例如，在喷气发动机的燃烧室中，重返航天器表面的冲击层和高超音速尾流，气体温度极高，气体的比热不再恒定，并且完美的气体状态方程（p =ρRT，P，ρ，T为气体的压力，密度和温度，R为气体常数）不再适用。

另外，气体分子中各种能级的激发（平移，旋转和振动等）处于不平衡状态，导致流动不平衡。

在非常高的温度下，气流伴随着离解和电离过程以及物体表面的烧蚀。

因此，对高温气体动力学的研究应将气体动力学与热力学，统计物理学，分子物理学，化学动力学和电磁学相结合，并使用物理，化学和气体动力学等实验技术，光谱，激光，电子学等测量方法机械师和测试设备，例如冲击管和电弧加热器。

高温气体动力学的研究对航空航天工业，激光和等离子体技术的发展具有重要意义。

稀有气体动力学稀有气体的动力学。

研究了努氏数Kn（见流体力学相似性准则）不小于1的稀有气体的运动规律。

对于在高空飞行的航天器来说，Kn 值不小，并且气体分子的离散结构显示出其影响，因此经典连续谱模型不再适用。

在研究5微米以下的气溶胶颗粒在地面上的运动时，我们还应考虑稀有气体效应。

为了研究稀有气体动力学，需要玻尔兹曼气体分子运动方程和气体分子与固体表面相互作用的理论，以及低密度风洞，冲击风洞和分子束装置等实验设备。

气体动力学基础笔记手写一、气体动力学基本概念1. 气体：由大量分子组成的混合物，其分子在不断地运动和碰撞。

2. 温度：气体分子平均动能的量度，与分子平均动能成正比。

3. 压力：气体对容器壁的压强，由大量气体分子对容器壁的碰撞产生。

4. 密度：单位体积内的气体质量，与分子数和分子质量有关。

5. 流场：描述气体流动的空间和时间的函数，由速度、压力、密度等物理量描述。

二、理想气体状态方程1. 理想气体状态方程：pV = nRT，其中p为压力，V为体积，n为摩尔数，R为气体常数，T为温度。

2. 实际气体与理想气体的关系：实际气体在一定条件下可以近似为理想气体，但在某些情况下需要考虑分子间相互作用和分子内能等效应。

三、气体流动的基本方程1. 连续性方程：质量守恒方程，表示单位时间内流入流出控制体的质量流量相等。

2. 动量守恒方程：牛顿第二定律，表示单位时间内流入流出控制体的动量流量等于作用在控制体上的外力之和。

3. 能量守恒方程：热力学第一定律，表示单位时间内流入流出控制体的热量流量等于控制体内能的变化率加上作用在控制体上的外力所做的功。

四、一维定常流1. 一维流：流场中所有点的流速方向都在同一直线上。

2. 定常流：流场中各物理量不随时间变化而变化的流动。

3. 声速：气体中声速与温度和气体种类有关，是气体的特征速度。

4. 马赫数：流场中任意一点上流速与当地声速之比，是描述流动状态的重要参数。

五、膨胀波与压缩波1. 膨胀波：由于流体受压缩而产生的波，传播方向与流体运动方向相反，波前压力低于波后压力。

2. 压缩波：由于流体受扩张而产生的波，传播方向与流体运动方向相同，波前压力高于波后压力。