空气动力学基础

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出版者:国防工业
作者:王保国//刘淑艳//刘艳明//于勇
出品人:
页数:307
译者:
出版时间:2009-9
价格:38.00元
装帧:
isbn号码:9787118065329
丛书系列:
图书标签:
  • 空气动力学
  • 空气动力学
  • 流体力学
  • 航空工程
  • 气动特性
  • 翼型
  • 边界层
  • 可压缩流
  • 数值计算
  • 飞行器设计
  • 工程力学
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具体描述

《空气动力学基础》可作为高等工业院校有关专业的专业基础教材,特别是作为飞行器设计、宇航动力、发射工程、航天运输、工程力学、安全工程以及能源动力类等专业的教材,也可供相关专业的科技人员参考。本教材对空气动力学基础作了全面介绍,全书共分7章,分别介绍了流体力学与热力学基础知识、二维位势流流动、定常一维流动、膨胀波与激波、层流与湍流边界层、气体的多维流动分析以及计算流体力学基础,涵盖了空气动力学的主要基础内容,从低速到高速、从一维到三维、从亚声速到高超声速流动的基础内容。全书特别注意讲述空气动力学的基本概念、基本方程和基本求解方法,始终贯穿了基础、实用、简练的方针,力图做到深入浅出,少而精。

《流体力学原理与应用》 内容提要: 本书旨在系统阐述流体力学的基本理论、分析方法及其在工程实践中的广泛应用。全书内容涵盖了从流体静力学基础到复杂的湍流理论与数值模拟的各个层面,力求在理论深度与工程实用性之间取得平衡。 第一部分:流体力学基础与描述 第一章 绪论与流体基本概念 本章首先界定流体力学的研究范畴及其在现代工程科学中的核心地位。详细阐述了流体的宏观与微观特性,包括连续介质假设的适用性、流体的密度、粘度、表面张力等关键物性参数的物理意义与测量方法。重点讨论了流体的分类(牛顿流体与非牛顿流体)及其本构关系。对流场的基本描述方法进行了引入,包括物质点描述(拉格朗日方法)和空间域描述(欧拉方法),并建立了速度场、应力张量等基本描述工具。 第二章 流体运动学 本章专注于描述流体的运动状态,而不涉及引起运动的力。详细分析了流场中的位移、速度和加速度。引入了流线、迹线和尘埃轨迹的概念及其几何意义的区分。核心内容在于运动的微分描述,包括速度梯度张量、应变率张量,并推导出流体微团的旋转和线膨胀率,为后续的动量方程建立奠定基础。引入了涡度和旋度的概念,深入剖析了旋转流动的物理特性。 第三章 流体动力学:守恒定律 本章是全书的理论核心,系统推导并阐述了流体力学的三个基本守恒定律——质量守恒、动量守恒和能量守恒——在流体中的表达形式。 质量守恒(连续性方程): 推导了微分形式和积分形式的连续性方程,并讨论了不可压缩流体这一简化情况下的特殊形式。 动量守恒(纳维-斯托克斯方程): 这是描述牛顿流体运动的根本方程。本章详细推导了基于雷诺输运定理的动量方程,清晰展示了惯性力、压力梯度力、粘性力与外体力之间的平衡关系。讨论了无粘流体欧拉方程的适用范围。 能量守恒: 导出了流体的能量方程,包括了热传导、粘性耗散和外部热源项,强调了热力学过程(等熵、等温)对流动特性的影响。 第二部分:基本流动模型与分析方法 第四章 粘性流动的基本解 本章侧重于求解简化模型下的精确解,以加深对粘性效应理解。深入分析了泊肃叶流(Couette flow, Poiseuille flow)等经典一维、定常流动问题,揭示了速度边界层、剪切应力与流动阻力的直接关系。对于二维、定常、不可压缩流动,引入了流函数和速度势的概念,并探讨了流函数在求解无旋流中的应用。 第五章 相似性、量纲分析与边界层理论 本章探讨了如何利用无量纲化处理复杂流动问题,并引入了边界层这一关键概念。 量纲分析: 详细介绍皮(Buckingham $pi$)定理的应用,通过无量纲参数(如雷诺数、弗劳德数、马赫数)的识别,实现物理现象的相似性判据,从而指导实验设计和模型缩放。 边界层理论: 基于普朗特提出的假设,导出了二维、定常、不可压缩边界层的简化方程。重点分析了平板上的速度剖面(Blasius解的物理意义),并推导了动量积分方程,用于估算边界层的厚度和分离点。 第六章 无粘流动的势流理论 本章研究在忽略粘性影响下,利用势流模型对外部流动进行分析。引入了速度势函数,并阐述了势流必须满足的拉普拉斯方程。详细分析了基本的势流元件,如均匀流、源/汇、偶极子,并展示了如何通过叠加这些基本元件来构建更复杂的二维流动场,如绕流圆柱体的达西-希尔伯特(D’Alembert)佯谬。 第三部分:特殊流动现象与高级主题 第七章 可压缩流动基础 本章将研究流体速度接近或超过声速时的特殊现象。从等熵流动开始,推导了流速与静压、静温之间的关系。重点分析了马赫数(Mach Number)的物理意义及其对流动特性的决定性影响。详细讨论了正激波和斜激波的形成机理,应用罗伊(Rayleigh)公式和法拉利(Fanno)流模型分析了管道中带有摩擦的等熵流。 第八章 湍流流动分析 本章处理工程中最普遍但数学上最具挑战性的湍流问题。首先区分了层流与湍流的特征,并阐述了湍流的随机性和脉动特性。导出了雷诺平均纳维-斯托克斯(RANS)方程,揭示了雷诺应力的存在。重点介绍了几种重要的湍流模型,包括零方程模型(如经验公式)、一方程模型(如Spalart-Allmaras模型)和两方程模型(如 $k-epsilon$ 模型和 $k-omega$ 模型),并讨论了这些模型在工程计算中的优缺点。 第九章 内部流与外部流应用 本章将理论知识应用于实际工程管路和物体绕流问题。 内部流: 分析了管道流动中的压力损失,区分了沿程阻力和局部阻力,并引入了摩擦因子图(Moody图)的使用。讨论了泵、阀门等附件对流态的影响。 外部流: 重点分析了翼型和物体绕流产生的升力和阻力。详细解释了升力产生机理(库塔-茹科夫斯基定理的应用),并讨论了流动分离和尾流对物体气动特性的影响。 第十章 流体动力学数值方法导论 本章简要介绍利用计算流体力学(CFD)求解纳维-斯托克斯方程的思路。概述了有限差分法、有限体积法和有限元法的基本思想,并介绍了求解对流-扩散方程的常用离散格式。讨论了网格生成、求解器选择以及计算结果的验证与可视化方法。 适用对象: 本书适合于大学工科专业(如机械工程、航空航天、土木工程、化学工程)的高年级本科生和研究生作为教材或参考书。同时,对流体力学有深入需求的工程师和科研人员也能从中获益。本书假定读者具备扎实的微积分、线性代数和基础物理知识。

作者简介

王保国,教授,博士生导师,1947年生、山东省临清市人。北京市教学名师、北京理工大学流体力学学科带头人。在中国科学院学习与工作的16年间,曾两次荣获中国科学院科技进步奖;1993年荣获国家劳动人事部首届全国优秀博士后奖,成为1986至1993年问全国50名获奖人之一;在清华大学任教授与博导的10年间,曾两次荣获清华大学教学优秀奖。2003年起,以知名教授、学科带头人的方式由清华大学引进到北京理工大学任教,先后担任该校流体力学、工程热物理等3个学科的带头人。已出版《气体动力学》等4部学术专著与教材:发表学术论文190余篇,其中包括在《AJAA》、《ASME》、《International Journal for Numerical Methods in Fluids》、《应用数学和力学》、《力学学报》等国内外著名杂志上。现任宇航学院教授、博士生导师、学科带头人:中国人类工效学学会副理事长、人机工程委员会主任;全国人一机一环境委员会副秘书长等职务。

目录信息

第1章 流体力学与热力学基础知识第2章 二维位势流流动第3章 定常一维流动第4章 膨胀波与激波第5章 层流与湍流边界层第6章 气体的多维流动分析第7章 计算流体力学基础附表1 常见流体的密度和重度附表2 空气和水的物理属性附表3 标准大气的物理属性附表4 一维等熵流气动函数表附表5 气体动力学函数表(k=1.4时)附表6 正激波前后气流参数表(k=1.4时)附表7 斜激波前后气流参数表(完全气体k=1.4)附表8 有摩擦等截面管中的绝热流动表附表9 普朗特—迈耶函数表(k=1.4时)参考文献
· · · · · · (收起)

读后感

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用户评价

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这本书的学习过程,让我对“流体”这个概念有了更深的体会。我之前一直认为空气和水是完全不同的物质,但这本书让我认识到,它们在很多方面都遵循着相似的流体力学原理。作者在书中对“流线型”和“涡流”的讲解,让我能够将这些概念应用到对水流和空气流动的理解上。例如,船只的流线型设计,以及河流中的漩涡,都与空气动力学中的一些基本原理息息相关。 书中还对“表面张力”和“粘性”等概念进行了简要的介绍,虽然它们在空气动力学中的作用相对较小,但却为我提供了一个更全面的流体力学背景。我明白了,这些看似微小的因素,在某些特定的情况下,也可能对物体的运动产生不可忽视的影响。这本书让我意识到,自然界的物理规律是相互关联、相互影响的,而空气动力学只是其中的一个重要分支,它与其他学科紧密相连,共同构成了我们所认识的这个奇妙世界。

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这本书让我真正理解了“效率”在工程设计中的重要性。我一直对各种交通工具的能耗和性能感到好奇,比如为什么高铁比普通火车跑得快,为什么飞机能够跨越洲际。这本书的讲解,让我对这些问题有了更深入的认识。作者在书中详细探讨了“阻力”对物体运动的影响,以及如何通过优化设计来减小阻力,从而提高效率。我明白了,无论是汽车的流线型外形,还是飞机的翼型设计,都是为了最大限度地减少空气的阻碍,节省能源。 书中还对“升力”的产生原理进行了深入的剖析。我之前只知道飞机能飞,但不知道具体是如何实现的。作者通过对翼型剖面、攻角等因素的讲解,让我明白了升力是如何产生的,以及如何通过调整这些因素来控制飞机的飞行高度和速度。这让我对工程师们在设计和制造复杂机械时所付出的努力充满了敬意,也让我更加欣赏那些能够巧妙地利用物理原理来解决实际问题的智慧。

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这本书带给我的,是一种对物理世界更深层次的理解。我一直对自然界的各种现象感到好奇,比如为什么风会吹动树叶,为什么海浪会形成。这本书虽然聚焦于“空气动力学”,但其中也触及了许多流体力学的基本概念,让我能够将这些知识融会{-#lang:zh-CN|}会贯通。作者在书中对“浮力”的解释,虽然不是本书的核心内容,但却以一种巧妙的方式,将空气动力学和更广泛的流体行为联系起来。 我特别欣赏书中对于“压强”概念的讲解。它不仅仅是简单地描述压强的大小,而是深入到压强是如何产生的,以及它在空气动力学中扮演的重要角色。我明白了,无论是飞机翼型上方的低压区,还是高速运动物体周围的高压区,这些压强差都是产生力的根本原因。书中还探讨了不同高度和不同温度下空气的密度变化,以及这些变化如何影响空气动力学的计算。这让我意识到,空气动力学是一个极其复杂的系统,需要考虑的因素非常多,而这本书则为我们提供了一个坚实的基础。

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这本书对我来说,更像是一次深入的科学“探险”。我一直以为空气就是一种无形无色的东西,但读完这本书,我才意识到它其实拥有如此丰富的“性格”和“力量”。作者非常擅长用宏观的视角来展示空气动力学的宏伟图景,然后又巧妙地聚焦到微观的细节。例如,关于“升力”的产生,书中并没有止步于简单的“伯努利原理”,而是深入探讨了翼型设计、攻角、迎角等关键因素如何协同作用,最终让飞机对抗地心引力。我甚至看到了对“涡流”的详细解析,理解了为什么高速行驶的汽车旁边会产生强大的吸力,以及它对交通安全可能造成的潜在影响。 书中对于“阻力”的分类和分析也让我印象深刻。不仅仅是简单的摩擦阻力,还有形状阻力、诱导阻力等等。作者用很多实际案例来说明,不同类型的阻力在不同情境下的主导作用,以及工程师们是如何通过巧妙的设计来克服这些挑战的。比如,我之前从未想过,飞机在起飞和降落时,其空气动力学特性会发生如此巨大的变化,需要精心调整襟翼和副翼等装置来适应不同的速度和升力需求。这本书让我明白了,每一个微小的设计决策,都可能对飞行器的性能产生至关重要的影响,这是一门需要细致入微的艺术。

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这本书的学习过程,让我对“运动”这个概念有了全新的认识。我一直对各种运动物体背后的力量和轨迹感到着迷,比如赛车飞驰时的空气动力学效应,或者炮弹在空中划过的弧线。这本书以一种非常系统的方式,解释了这些现象背后的原理。作者在书中详细阐述了“动量定理”和“冲量定理”在空气动力学中的应用,让我理解了空气对运动物体施加的力是如何改变其速度和方向的。 书中对于“阻力”的深入分析让我印象深刻。它不仅仅是简单的“摩擦”,而是包含了形状阻力、摩擦阻力、诱导阻力等多种因素。我明白了,工程师们是如何通过优化物体的形状和表面特性来减少阻力,从而提高效率。例如,汽车的流线型设计,以及飞机翼型的特殊剖面,都是为了最大限度地减少空气对它们的阻碍。这本书让我意识到,空气动力学是一门关于如何与空气“和谐相处”的科学,如何利用它,又如何克服它。

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这本书为我开启了对“飞行”的全新理解。我一直梦想着能够像鸟儿一样自由地翱翔,但总是觉得飞行是一件极其复杂的事情。这本书用一种极其易于理解的方式,解释了飞机之所以能够飞起来的空气动力学原理。作者详细介绍了“翼型”的几何形状、攻角以及这些因素如何协同作用产生升力。我明白了,飞机翼型的特殊剖面设计,使得其上方的空气流速比下方快,从而产生压力差,这个压力差就形成了向上的升力。 书中还对“稳定性和操纵性”进行了初步的探讨。我了解到,飞机的尾翼和副翼等部件,不仅仅是为了美观,更是为了在飞行过程中保持稳定,并能够灵活地改变方向。作者通过简单的模型和图示,说明了这些部件是如何通过改变空气流动的方向,从而产生力来控制飞机的姿态。这让我对飞行器的设计充满了敬意,也让我明白了,每一次成功的飞行,都是无数科学原理和工程智慧的结晶。

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这本书的学习过程,给我一种“拨云见日”的感觉。我一直对“为什么有些昆虫能轻易地在空中悬停,而有些鸟类却需要巨大的能量才能做到”这样的问题感到好奇。读完这本书,我终于找到了答案。书中对“拍动翼”的空气动力学原理的探讨,让我意识到,自然界中生物的飞行机制,远比我们想象的要复杂和精妙。作者通过对不同翼型、不同拍动频率和幅度的分析,解释了生物是如何在微观尺度上巧妙地利用空气动力学原理来实现高效飞行的。 此外,书中对“地面效应”的讲解也让我大开眼界。原来,飞机在低空飞行时,靠近地面会产生一种特殊的空气动力学效应,能够显著增加升力并减少阻力。这解释了为什么一些飞机在起降时表现得格外“轻盈”。我甚至还看到了关于“尾流湍流”的讨论,理解了为什么飞机之间需要保持一定的安全距离,以及这种湍流是如何产生的。这本书让我意识到,空气动力学不仅仅是关于飞行器本身的设计,更关乎飞行器与周围环境的互动,以及在这种互动中产生的各种复杂现象。

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这本书为我打开了一个全新的视角,让我开始重新审视我周围的世界。我一直对各种交通工具的效率和设计感到好奇,比如为什么高铁设计成流线型,为什么风力涡轮机叶片是特殊的形状。这本书的讲解,让我对这些问题有了更深入的理解。作者在书中详细探讨了“湍流”和“层流”的区别,以及它们对物体受到的阻力和升力的影响。我明白了,工程师们在设计汽车、火车、船只时,都需要仔细考虑如何减少空气或水流的阻力,提高能源利用效率。 书中关于“升力面”的理论,也让我对飞机的设计有了更直观的认识。我之前只知道飞机有翅膀,但不知道翅膀的形状、角度以及其表面的气流流动,是如何共同产生支撑飞机飞行的巨大升力的。作者通过大量的图示和简单的数学模型,解释了翼型的剖面形状对气流速度和压强的关键影响,以及这些压强差如何转化为升力。这让我对“空气动力学”这个词不再感到陌生和畏惧,而是觉得它充满了科学的智慧和工程的魅力。

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这本书的学习过程,仿佛是打开了一扇通往未知世界的大门。我一直对各种运动物体在空气中的轨迹着迷,例如射箭时箭矢的飞行,或者踢出的足球划出的弧线。这本书以一种严谨而不失趣味的方式,解释了这些现象背后的空气动力学原理。作者通过对“弹道学”的初步介绍,让我理解了为什么子弹或炮弹在飞行过程中会受到空气阻力的影响而偏离理想轨迹,以及如何通过调整发射角度和初速度来补偿这些影响。 书中对于“旋转”对物体飞行轨迹的影响的分析也十分精彩。例如,棒球中的“曲球”和“滑球”,网球中的“上旋球”和“下旋球”,这些看似简单的旋转动作,背后都蕴含着复杂的空气动力学原理。作者详细解释了“马格努斯效应”,以及这种效应是如何改变物体周围的空气流动,从而产生额外的力,改变其飞行轨迹的。读完这部分内容,我仿佛能够用一种全新的视角来理解体育比赛中的各种精彩瞬间,不再是简单的“技巧”,而是深厚的物理学知识在起作用。

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这本书真是让我大开眼界,虽然我一直对飞行器和各种高速运动物体背后的原理很好奇,但总觉得“空气动力学”这个词听起来就很高深莫测,充满了复杂的公式和抽象的概念,望而却步。然而,《空气动力学基础》这本书却用一种极其友好且富有启发性的方式,把我一步步引入了这个迷人的世界。作者并没有一开始就抛出一堆令人生畏的数学方程,而是从最直观的例子入手,比如为什么飞机能飞起来,为什么网球会旋转下坠,甚至风吹过高楼时会产生什么样的影响。这些贴近生活的现象,瞬间拉近了我和书本之间的距离,让我觉得空气动力学不再是实验室里的理论,而是无处不在的物理规律。 我尤其喜欢书中对“流线型”这个概念的深入浅出解释。通过大量的插图和生动的比喻,我终于明白了为什么很多运动物体,从汽车到子弹,都要设计成特定的形状。不仅仅是看起来“帅”,而是为了最大限度地减少空气的阻力,提高效率。书里甚至还探讨了不同流体(空气、水)在某些方面表现出的相似性和差异性,让我对流体力学有了更全面的认识。当我看到书中关于“马赫数”的讲解时,我惊叹于原来速度的飙升会带来如此剧烈的空气动力学变化,超音速和亚音速飞行之间的界限,以及由此产生的冲击波,都描绘得栩栩如生。这本书没有让我感到压迫,反而让我越读越想读,仿佛自己也变成了一个小小飞行工程师,在纸上模拟着各种气流的走向。

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