1、第二章空氣動力學概要2.1空氣動力學流體(fluid)：液體(liquid)和氣體(gas)流體力學(fluid mechanics)：研究流體的運動和力的學問空氣動力學(aerodynamics)：流體力學中有關飛行的空氣運動和力的學問靜止的空氣中，物體運動時，周圍的空氣被擾亂擾動(disturbance)擾動以聲速向四周傳播氣體存在可壓縮性(Compressibility)擾動以聲速傳播，是因為空氣是可壓的(Compressible)如果空氣沒有可壓性，則擾動將以無限大的速度傳播因此，物體的運動速度接近聲速時，可壓性就十分重要?？蓧盒耘c聲速密切相關物體運動的速度與聲速之比馬赫數(Mach

2、Number)V為飛行物體運動速度時：飛行馬赫數(flight Mach Number)V為流體運動速度時：流動馬赫數(flow Mach Number)aVM 二戰前，飛機速度是亞聲速的，馬赫數低，所以空氣動力學主要是研究不可壓流(incompressible flow)二戰后，飛機速度突破了音障(sound barrier)，出現了高速空氣動力學(high speed aerodynamics)以馬赫數區分可壓性的大小馬赫數小于0.8亞聲速(subsonic)馬赫數在0.8與1.2之間跨聲速(transonic)馬赫數大于1.2超聲速(supersonic)馬赫數大于5 高超聲速(hype

3、rsonic)低馬赫數不可壓流(incompressible flow)馬赫數接近或高于可壓流(compressible flow)超聲速時，流場中的擾動集中，形成激波(shock wave)由空氣的可壓性所產生的阻力激波阻力(wave drag)激波的產生使阻力急劇增大亞聲速范圍內，阻力大部分來于粘性（摩擦阻力和形狀阻力）進入跨聲速以后，增加了激波阻力空氣中除可壓性外，還有少量的粘性(viscosity)為了使問題簡單化，考慮沒有粘性的氣體完全氣體(perfect gas)或理想氣體(ideal gas)應用理想氣體的理論，如機翼的升力理論dAlemberts paradox：理想氣體中的物

4、體不受阻力理由是物體前方受到的阻力同后方受到的阻力相等但是，對于相同的物體，真實氣體的流動狀態與完全氣體的流動狀態不同。特別是在物體的后部，其壓力比完全氣體小。計算物體全表面上的壓力的合力，可以得出阻力由于這類阻力依賴于物體的形狀，所以叫做形狀壓力(form drag)或壓差阻力(pressure drag)物體表面附近的真實氣體由于粘性，附著于物體表面，外側的流動被減速減速作用隨著遠離物體表面而急速減小，其作用范圍局限于表面附近的極薄層內。邊界層：粘性的影響所涉及的范圍邊界層內看作是粘性氣體邊界層外看作是完全氣體邊界層在物體的前端開始，沿著物體表面向下游方向增厚一開始有秩序地平穩流動層流邊界

5、層從某點開始開始紊亂轉捩點(transition point)之后的湍流部分湍流邊界層邊界層內物體表面在流動方向上產生的應力(frictional stress)湍流邊界層的摩擦應力大于層流邊界層的摩擦應力物體的形狀在流動方向上細長，順暢（流線型）除邊界層外，流動的狀態與理想氣體基本相同。因此形狀阻力很小。阻力的大部分來自于摩擦阻力。相對于流動方向的長度，其垂直方向的長度較長時，物體后部的邊界層出現分離，產生湍流狀的尾流(wake)形狀阻力顯著增大。為減少形狀阻力，物體形狀盡量采用流線型，盡量避免分離均勻來流中的物體，由于粘性的作用，邊界層、尾流出現，并產生不同的形態。即使物體相同，流體的粘性

6、、密度、速度不同，流動形態則不同。反之，即使流體的粘性、密度、速度相同、如果物體的長度不同，流動形態也不同。對各種形狀的物體進行研究發現，流動的形態由下式定義的雷諾數來決定。其中，V為均勻來流的速度，l為物體的代表長度，為動粘性系數(kinetic coefficient)VlRe作用于流體微小部分的慣性力和粘性力之比與雷諾數成正比Re小，粘性起主導作用，慣性起輔助作用Re大，慣性起主導作用，粘性起輔助作用，即接近完全氣體。但是，即使Re足夠大，也不會同完全氣體完全相同，粘性在薄邊界層里依然存在，摩擦應力不會消失。邊界層分離，流動的形態與完全氣體產生很大的差別。在物體的前緣，流體的速度為。這個點稱為歧點(stagnation point)歧點附近，流體被阻止，流體的動能轉換為熱能。流動速度低，亞聲速時，熱的問題不大。超聲速時，隨著馬赫數增大，流體溫度上升，物體被加熱空氣動力加熱(aerodynamics heating)例如，成層圈內飛行時，馬赫數時，溫度約為100。馬赫數時，溫度約為300 。鋁合金的使用限度約為155 ，相當于成層圈內飛行時馬赫數2.2時的溫度?，F在多用不銹鋼、鈦合金等耐熱金屬。高超聲速時，強激波層貼近物體表面，特別是在前端附近，空氣溫度極高，比熱比發生變化，不能看作是完全氣體。馬赫數更高時，構成空氣的分子產生分離（分為原子），電離（原子分為離子和電子）現象