具体描述
本书详细地介绍了跨声速空气动力学发展的历史过程，系统地总结了跨声速流动的基本原理、跨声速绕流的渐近展开理论、跨声速速度图理论、绕翼型无激波跨声速流、跨声速激波——附面层干扰、跨声速非定常流和跨声速绕流数值解法特点等方面的主要经典理论，以及近年来跨声速流动分析的最新重要研究成果。
本书适合于从事空气动力学研究的教师、工程技术研究人员和研究生阅读参考。
航空气动物理学基础：亚音速、超音速与高超声速流动研究 本书导言 本书旨在为航空航天工程、空气动力学、机械工程等相关专业的高年级本科生、研究生以及从事飞行器设计与研究的工程师提供一本全面、深入且实践导向的空气动力学教材。不同于传统的、侧重于亚音速或单一速度域分析的教材，本书采取了跨越性的视角，系统地阐述了从低速到极高速飞行过程中，流体动力学行为的根本性变化及其背后的物理机制。我们聚焦于如何理解和预测不同马赫数下翼型、机身及复杂结构周围的气流特性，强调理论分析与实验数据的结合。 第一篇：空气动力学基础与亚音速流动 第一章：流体力学基本原理回顾 本章首先建立空气动力学研究的数学和物理基础。内容涵盖流体的基本性质（密度、粘度、可压缩性）、控制方程（雷诺输运定理、纳维-斯托克斯方程、欧拉方程）的推导与应用。重点讨论无粘流体假设下的伯努利方程，及其在不可压缩流场分析中的局限性。随后，对边界层理论进行深入探讨，分析粘性对阻力、升力产生的作用机制，特别是边界层分离的条件与预测方法。 第二章：不可压缩流动的分析方法 本章聚焦于马赫数远小于 0.3 的亚音速流动。介绍经典的线性势流理论，包括源、汇、偶极子、环量以及库塔-儒可夫斯基定理在计算机翼升力方面的应用。对二维翼型绕流进行详细分析，包括压力分布、阻力与升力系数的计算。引入翼型设计的基本概念，如厚度、弯度对升阻性能的影响，以及升力线理论和面板方法在工程实践中的应用。 第三章：可压缩亚音速流动与小扰动理论 随着飞行速度的增加，空气的可压缩性开始显现。本章引入一阶可压缩效应的修正方法。详细推导普兰特-格劳厄特定理，用于修正亚音速下翼型所受的空气动力特性。阐述小扰动势流理论，包括其适用范围和数学模型，为后续的跨声速分析奠定理论基础。讨论压缩性对气动弹性（如抖振、颤振的初步概念）的潜在影响。 第二篇：跨声速流动现象与挑战 第四章：声波传播与激波的形成 本章是理解跨声速现象的关键。首先，系统分析声波在不同介质中的传播特性，定义马赫数与临界马赫数。深入探讨激波的物理本质，包括激波的产生条件、结构（薄激波近似）以及不连续性分析。详细应用罗伊-冯·阿尔诺关系式（Rankine-Hugoniot 关系）来计算正激波和斜激波前后的宏观参数变化，重点分析激波如何影响气动效率和结构热载荷。 第五章：跨声速翼型设计与等熵流 跨声速区是空气动力学设计最具挑战性的领域之一。本章集中探讨马赫数接近 1.0 时的流动特性，例如气流加速导致局部超音速区域的形成，以及随之而来的激波导致的压降损失。介绍等熵流理论在无粘、无休克流动的初步分析中的应用，以及临界马赫数的确定。探讨了如何通过翼型后掠、面积律等设计手段来延迟激波的产生和增强其强度。 第六章：激波-边界层相互作用 (Shock Wave-Boundary Layer Interaction, SWBLI) 激波与边界层的相互作用是跨声速和超音速飞行中非线性效应的典型代表。本章细致分析了弱、中、强相互作用的机制。重点讨论激波如何迫使上游的弱化边界层提前分离，造成气动弹性元件的“厚度效应”和阻力急剧增加。介绍预测和减轻 SWBLI 影响的工程方法，如激波的被动或主动控制技术。 第三篇：超音速与高超声速流动分析 第七章：一维与二维超音速流动 本章转向超音速领域。从拉瓦尔喷管的等熵加速流开始，深入分析膨胀波（Prandtl-Meyer 展开）和斜激波的几何结构。对二维超音速翼型设计，如尖锐前缘的 न्या块理论（Wedge Theory）和薄翼设计进行详细阐述，理解最小阻力设计原则。引入相似性原理（如高速相似律）在简化设计问题中的应用。 第八章：高超声速流动的物理现象 高超声速（通常指 $Ma > 5$）不仅是速度的简单增加，更引入了全新的物理效应。本章讨论分子热力学、化学反应对气动性能的影响，如空气的解离和电离。介绍高温气体效应，包括气体动力学粘度、热导率的依赖性。分析非平衡流动和化学反应速率对激波层厚度和热环境的塑造作用。 第九章：粘性高超声速流与气动热力学 在高超声速条件下，粘性效应和热载荷成为主要设计制约因素。本章深入探讨粘性高超声速流动的特征，如附面层转捩、高焓湍流模型的需求。重点分析气动热载荷的预测，包括对流热流密度计算、辐射热流的评估，以及表面温度的边界条件处理。介绍隔热防护系统的基本原理和材料选择。 第十章：先进数值方法与工程应用 本章总结了现代空气动力学研究中依赖的数值工具。回顾有限体积法、有限元法在求解欧拉方程和纳-斯方程中的应用。讨论在处理激波、边界层分离和高超声速化学反应时，需要采用的先进数值格式（如高分辨率格式、混合尺度模型）。最后，通过实际案例分析，展示如何将理论模型、计算流体力学（CFD）与风洞实验数据相结合，以解决复杂的飞行器气动设计问题。 结语 本书的结构旨在引导读者逐步理解空气动力学从经典到前沿的演变，为掌握未来飞行器（从高速客机到再入飞行器）的设计原理提供坚实的理论和计算基础。
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