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第1部分 基本原理1

第1章 空气动力学：一些引述3

1.1 空气动力学的重要性：历史典故5

1.2 空气动力学：分类及实际应用目的11

1.3 本章路线图15

1.4 一些空气动力学基本变量15

1.4.1 单位18

1.5 空气动力及力矩19

1.6 压力中心32

1.7 量纲分析：白金汉π定理34

1.8 流动相似性41

1.9 流体静力学：浮力52

1.10 流动类型62

1.10.1 连续介质与自由分子流动62

1.10.2 无黏流动与黏性流动62

1.10.3 不可压缩流动与可压缩流动64

1.10.4 马赫数区域64

1.11 黏性流动：边界层引论68

1.12 应用空气动力学：空气动力系数——它们的重要性和变化75

1.13 历史摘记：困惑的压力中心89

1.14 历史摘记：空气动力系数93

1.15 总结97

1.16 作业题98

第2章 空气动力学：一些基本原理和基本方程103

2.1 引言和路线图104

2.2 矢量关系回顾105

2.2.1 矢量代数简述106

2.2.2 典型正交坐标系107

2.2.3 标（数）量场和矢量场110

2.2.4 数量积和矢量积110

2.2.5 数量场的梯度111

2.2.6 矢量场的散度113

2.2.7 矢量场的旋度114

2.2.8 线积分114

2.2.9 面积分115

2.2.10 体积分116

2.2.11 线积分、面积分和体积分之间的关系117

2.2.12 小结117

2.3 流体模型：控制体和流体微元117

2.3.1 有限控制体模型118

2.3.2 无限小流体微元模型119

2.3.3 分子模型119

2.3.4 速度散度的物理含义120

2.3.5 流场描述121

2.4 连续方程125

2.5 动量方程130

2.6 动量方程的一个应用：二维物体的阻力135

2.6.1 评注144

2.7 能量方程144

2.8 小结149

2.9 实质导数（随体导数）150

2.10 用实质导数表示的基本方程156

2.11 流动的迹线、流线和染色线158

2.12 角速度、涡量和应变率163

2.13 环量174

2.14 流函数177

2.15 速度势181

2.16 流函数和速度势之间的关系184

2.17 我们怎样解这些方程？185

2.17.1 理论（解析）解185

2.17.2 数值求解——计算流体力学（CFD）187

2.17.3 空气动力学“全景”194

2.18 总结194

2.19 作业题198

第2部分 无黏不可压缩流动201

第3章 无黏不可压缩流动的基础203

3.1 引言和路线图204

3.2 伯努利方程207

3.3 管道中的不可压缩流：文德利管和低速风洞211

3.4 皮托管：空速的测量224

3.5 压力系数233

3.6 不可压缩流动的速度条件235

3.7 无旋不可压缩流动的控制方程：拉普拉斯方程236

3.7.1 无穷远处边界条件239

3.7.2 物面边界条件239

3.8 小结240

3.9 均匀流——第一个基本流动241

3.10 源流——第二个基本流动243

3.11 均匀流与点源和点汇的叠加247

3.12 偶极子流动——第三个基本流动251

3.13 绕圆柱的无升力流动253

3.14 涡流——第四个基本流动262

3.15 绕圆柱的有升力流动266

3.16 库塔－茹科夫斯基定理和升力的产生280

3.17 绕任意物体的无升力流动：数值面源法282

3.18 应用空气动力学：绕圆柱流动——实际情况292

3.19 历史摘记：伯努利和欧拉与理论流体力学的起源300

3.20 历史摘记：达朗贝尔悖论305

3.21 总结306

3.22 作业题309

第4章 绕翼型的不可压缩流动313

4.1 引言315

4.2 翼型术语318

4.3 翼型特征参数320

4.4 绕翼型的低速流动的解析解基础：涡面325

4.5 库塔条件330

4.5.1 没有阻力能有升力吗？334

4.6 开尔文环量定理和起动涡334

4.7 经典薄翼理论：对称翼型338

4.8 有弯度翼型348

4.9 气动中心：进一步的思考357

4.10 绕任意物体的有升力流动：涡板块数值方法361

4.11 现代低速翼型367

4.12 黏性流动：翼型阻力371

4.12.1 表面摩擦阻力的估计：层流流动372

4.12.2 表面摩擦阻力的估计：湍流流动374

4.12.3 转捩376

4.12.4 流动分离381

4.12.5 评注386

4.13 应用空气动力学：流经翼型的真实情况387

4.14 历史摘记：早期飞机设计和翼型厚度设计398

4.15 历史摘记：库塔和茹科夫斯基与升力环量定理403

4.16 总结405

4.17 作业题407

第5章 绕有限展长机翼的不可压缩流动411

5.1 引言：下洗和诱导阻力415

5.2 涡丝、毕奥—萨瓦法则和亥姆霍兹定理420

5.3 普朗特经典升力线理论424

5.3.1 椭圆升力分布430

5.3.2 一般升力分布435

5.3.3 展弦比的影响438

5.3.4 物理内涵444

5.4 一种非线性升力线数值方法453

5.5 升力面理论和涡格法457

5.6 应用空气动力学：三角翼464

5.7 历史摘记：兰彻斯特和普朗特——有限翼展理论的早期发展476

5.8 历史摘记：普朗特其人480

5.9 总结483

5.10 作业题484

第6章 三维不可压缩流动487

6.1 引言487

6.2 三维点源488

6.3 三维偶极子490

6.4 绕球体的流动492

6.4.1 三维泄流效应的相关说明494

6.5 一般的三维流动：板块法495

6.6 应用空气动力学：绕球体的流动的真实情形497

6.7 应用空气动力学：飞机的升力和阻力500

6.7.1 飞机的升力500

6.7.2 飞机的阻力502

6.7.3 计算流体力学在升阻力计算中的应用507

6.8 总结511

6.9 作业题512

第3部分 无黏可压缩流动513

第7章 可压缩流动：一些预备知识515

7.1 引言516

7.2 热力学的简单回顾518

7.2.1 完全气体518

7.2.2 内能和焓518

7.2.3 热力学第一定律523

7.2.4 熵和热力学第二定律524

7.2.5 等熵关系式526

7.3 压缩性的定义530

7.4 无黏可压缩流动的控制方程531

7.5 总（滞止）状态的定义533

7.6 超声速流的一些知识：激波540

7.7 总结544

7.8 作业题546

第8章 正激波以及相关概论549

8.1 引言550

8.2 正激波基本方程551

8.3 声速555

8.3.1 评注563

8.4 能量方程的特殊形式564

8.5 何时流动是可压缩的？572

8.6 正激波特性的计算575

8.6.1 使用数表求解可压缩流动问题的说明590

8.7 可压缩流中速度的测量591

8.7.1 亚声速可压缩流591

8.7.2 超声速流动592

8.8 总结596

8.9 作业题599

第9章 斜激波与膨胀波601

9.1 引言602

9.2 斜激波关系式608

9.3 尖楔与圆锥的超声速绕流622

9.3.1 关于超声速升力系数和阻力系数的说明625

9.4 激波干扰与反射626

9.5 钝头体前的脱体激波632

9.5.1 关于弯曲激波后流场的说明：熵梯度和旋度636

9.6 普朗特—迈耶膨胀波636

9.7 激波—膨胀波理论：对超声速翼型的应用648

9.8 关于升力系数和阻力系数的评注652

9.9 X-15 及其楔形剖面尾翼652

9.10 黏性流动：激波／边界层干扰657

9.11 历史摘记：马赫生平简介659

9.12 总结662

9.13 作业题663

第10章 通过喷管、扩压器和风洞的可压缩流669

10.1 引言670

10.2 准一维流动的控制方程672

10.3 喷管流动681

10.3.1 更多关于质量流的讨论695

10.4 扩压器696

10.5 超声速风洞698

10.6 黏性流动：喷管内的激波／边界层干扰704

10.7 总结706

10.8 作业题707

第11章 绕翼型的亚声速可压缩流：线化理论711

11.1 引言712

11.2 速度势方程714

11.3 线化速度势方程717

11.4 普朗特—格劳厄特压缩性修正722

11.5 改进的压缩性修正727

11.6 临界马赫数728

11.6.1 最小压力（最大速度）位置的讨论737

11.7 阻力发散马赫数：声障737

11.8 面积律745

11.9 超临界翼型747

11.10 CFD的应用：跨声速翼型和机翼749

11.11 应用空气动力学：翼身融合体754

11.12 历史摘记：高速翼型——早期研究和发展760

11.13 历史摘记：后掠翼概念的起源764

11.14 历史摘记：理查德·T.惠特科姆——面积率的建立和超临界翼型773

11.15 总结774

11.16 作业题776

第12章 线化超声速流779

12.1 引言780

12.2 线化超声速流压力系数计算公式的推导780

12.3 （线化理论对）超声速翼型的应用784

12.4 黏性流动：超声速翼型阻力特性790

12.5 总结793

12.6 作业题794

第13章 非线性超声速流的数值求解技术入门797

13.1 引言：计算流体力学的基本原理798

13.2 特征线方法基础800

13.2.1 内场点806

13.2.2 壁面点807

13.3 超声速喷管设计808

13.4 有限差分法基础811

13.4.1 预估步817

13.4.2 校正步817

13.5 时间相关法：应用于超声速钝头体绕流818

13.5.1 预估步822

13.5.2 校正步822

13.6 绕尖锥流动826

13.6.1 尖锥流动物理特征827

13.6.2 量化公式828

13.6.3 数值过程833

13.6.4 超声速尖锥绕流的物理特征834

13.7 总结837

13.8 作业题838

第14章 高超声速流基础839

14.1 引言840

14.2 高超声速流的定性特征841

14.3 牛顿理论845

14.4 高超声速下机翼的升力和阻力：有迎角平板气动特性的牛顿理论解849

14.4.1 有关估算精度的讨论856

14.5 高超声速激波关系式及牛顿理论的另一角度讨论860

14.6 马赫数无关性864

14.7 高超声速空气动力学与计算流体力学866

14.8 超高声速黏性流动：气动热869

14.8.1 气动热和高超声速流动——两者间的关联869

14.8.2 高超声速流动中钝头体与细长体的对比871

14.8.3 作用于钝头体的气动热874

14.9 应用高超声速空气动力学：高超声速乘波体876

14.9.1 经黏性优化的乘波体882

14.10 总结890

14.11 作业题890

第四部分 黏性流动891

第15章 黏性流体基本原理和方程的介绍893

15.1 引言894

15.2 黏性流动的定性分析895

15.3 黏性和热传导903

15.4 N-S方程908

15.5 黏性流动的能量守恒方程912

15.6 相似参数916

15.7 黏性流动的解：初步讨论920

15.8 总结923

15.9 作业题925

第16章 一种特殊流动：库埃特流动927

16.1 引言927

16.2 库埃特流：总论928

16.3 不可压缩（常物性）库埃特流932

16.3.1 可忽略的黏性耗散938

16.3.2 与壁面温度相等939

16.3.3 绝热壁条件（绝热壁温）941

16.3.4 恢复因子944

16.3.5 雷诺比拟945

16.3.6 小结946

16.4 可压缩库埃特流948

16.4.1 打靶法950

16.4.2 时间相关的有限差分法952

16.4.3 可压缩库埃特流的结果956

16.4.4 一些解析的思路958

16.5 总结963

第17章 边界层引论965

17.1 引言966

17.2 边界层特性968

17.3 边界层方程974

17.4 如何求解边界层方程977

17.5 总结979

第18章 层流边界层981

18.1 引言981

18.2 流经平板的不可压缩流：布拉休斯解982

18.3 流经平板的可压缩流989

18.3.1 阻力随速度变化的讨论1000

18.4 参考温度法1001

18.4.1 新发展：米多尔—斯马特参考温度法1004

18.5 驻点气动加热1005

18.6 任意外形的边界层：有限差分解1011

18.6.1 有限差分法1012

18.7 总结1017

18.8 作业题1018

第19章 湍流边界层1019

19.1 引言1020

19.2 平板上的湍流边界层结果1020

19.2.1 湍流的参考温度法1022

19.2.2 湍流的米多尔—斯马特参考温度法1024

19.2.3 翼型阻力的预测1025

19.3 湍流模型1025

19.3.1 B-L湍流模型1026

19.4 最后的评注1028

19.5 总结1029

19.6 作业题1030

第20章 N-S方程解：一些例子1031

20.1 引言1032

20.2 方法1032

20.3 一些解决方案的例子1033

20.3.1 后台阶流1033

20.3.2 绕翼型的流动1033

20.3.3 绕全机的流动1036

20.3.4 激波／边界层干扰1037

20.3.5 带凸起的翼型的绕流1038

20.4 表面摩擦阻力预测的精确性问题1040

20.5 总结1045

附录A 等熵流参数表1047

附录B 正激波参数表1053

附录C 普朗特—迈耶关系式及马赫角1057

附录D 标准大气参数表（国际标准制单位）1061

附录E 标准大气参数表（英制单位）1071

参考资料1079

索引1085