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流体力学 §1.1流体力学的基本任务和研究方法 § 1.1.1 流体力学的基本任务 § 1.1.2 流体力学的研究方法 实验研究 实验研究方法在流体力学中有广泛的应用，其主要手段是依靠风洞、水洞、激波管，以及测试设备进行模型实验或飞行试验。 实验方法的优点：能在与所研究的问题完全相同或大致相同的条件下，进行模拟与观测，因此所得到的结果较为真实、可靠。 实验方法的限制：例如受到模型尺寸的限制和实验边界的影响，此外实验测量的本身也会影响所得到结果的精度，并且实验往往要耗费大量的人力和物力。 理论分析 理论分析(续) 理论分析的特点： 在于它的科学抽象，能够用数学方法求得理论结果，以及揭示问题的内在规律。 然而，往往由于数学发展水平的限制，又由于理论模型抽象的简化，因而难以满足研究复杂的实际问题的需要。 数值方法(CFD) 数值方法：采用一系列有效近似计算方法（例如有限差(FDM)、有限元(FEM)、有限体积(FVM)等）求解流体力学方程的方法。 数值方法的特点：研究费用少，对有些无法进行实验而又难于作出理论分析的问题，可以采用数值方法进行研究。 当然，数值方法也有局限性，有时数值计算结果的可靠性较差。 飞行马赫数 亚声速空气动力学 超声速空气动力学 高超声速空气动力学 §1.2 流体力学以及空气动力学发展概述 空气动力学是现代流体力学的一个分支，它是从流体力学发展而来的。 牛顿是最早开始系统研究流体力学的科学家。 18世纪是流体力学的创建阶段。 伯努利 ( Bernoulli)：伯努利公式 欧拉（Euler）：欧拉方程 达朗贝尔（D’Alembert）：达朗贝尔疑题 （佯谬） 19世纪是流体动力学的基础理论全面发展阶段，形成了两个重要分支：粘性流体动力学和空气-气体动力学。 泊桑（Poisson)：解决了关于绕球的无旋流动问题 拉普拉斯（Laplace）：提出了著名的拉普拉斯方程 兰金（Rankine）：提出了理想不可压缩流体的位函数和流函数和奇点法 亥姆霍兹(Helmholtz)：创立了旋涡运动理论 纳维（Navier） 和斯托克斯（Stokes）： 纳维-斯托克斯方程（N-S方程） 与无粘流体动力学发展的同时，粘性流体力学也得到了迅猛的发展。普朗特(Prandtl)于1904年首先提出划时代的附面层理论，从而使流体流动的无粘流动和粘性流动科学地协调起来，在数学和工程之间架起了桥梁。 1911年冯·卡门（Von Karman)提出了著名的卡门涡街。著名的塔科马海峡大桥1940年11月7号在八级大风中崩塌,是卡门涡街造成巨大破坏的例子。 1946年出现了第一台计算机以后，研究流体力学-空气动力学的数值计算方法蓬勃发展起来，形成了计算流体-空气动力学这门崭新的学科，并推进到一个新的阶段。 §1.3 流体介质 § 1.3.1 连续介质假设 分子和相邻分子碰撞之前所走过的平均距离定义为分子平均自由程 如果流体分子的平均自由程比物体特征尺寸小得多，则对物体而言，流场是连续的。对物体表面感觉到的流体是连续介质的流动，称为连续流（continuum flow） 。 另一个极端就是平均自由程和物体特征尺寸的量级相同；气体分子分布很稀薄，气体分子平均距离很大（相对而言）和物体表面的碰撞不是很频繁，物体表面能清楚地感觉到单个分子的碰撞，这种流动称为自由分子流（free molecular flow）。 § 1.3.1 连续介质假设(续) 还有介于这两者之间的情况，流动既表现出连续流的特征，又有自由分子流的特征；这种流动通常被称为低密度流动（low-density flow）。低密度流和自由分子流只是整个气动领域的一个小部分。 本书中处理的都是连续流，将始终把流体看成连续介质，即始终把流体看成连绵不断、没有间隙、充满整个空间的连续介质。 § 1.3.2 流体的密度、压强和温度 任何一门科学都有用来描述其概念和现象的专业术语。 空气动力学中最常用的术语有：压强(Pressure)、密度(Density)、温度(Temperature)和流动速度(Velocity)。 流体微团：由于采用了连续介质假设，在分析流体运动时，要取一小块微元流体作为分析对象，称为流体微团。 § 1.3.2 流体的密度、压强和温度 流体内部一点处的压强： 压强定义为气体分子在碰撞或穿过取定的表面时，单位面积上所产生的法向力。 § 1.3.3 完全气体状态方程 完全气体：是气体分子运动论中所采用的一种模型气体。它的分子是一种完全弹性的微小球粒，内聚力十分小，可以忽略不计。彼此只有在碰撞时才发生作用，微粒的实有总体积和气体所占空间相比较可以忽略不计。远离液态的气体基本符合这些假设，通常状况下的空气也符合这些假设，可以看作为一种完全