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出版者:

作者:Durand, Fredrick W. (EDT)

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页数:0

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价格:20.5

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isbn号码:9780844606033

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• 空气动力学
• 流体力学
• 航空工程
• 气动理论
• 空气动力学原理
• 翼型
• 边界层
• 可压缩流
• 数值计算流体力学
• 飞行器设计

航空空气动力学基础与应用：从理论到实践 本书聚焦于航空领域空气动力学的核心原理、前沿技术及其在现代飞行器设计中的实际应用，旨在为航空工程、空气动力学专业学生及相关领域的研究人员提供一本全面、深入且注重实践的参考教材。全书内容严格围绕流体力学在航空器周围流动的特定现象展开，深入剖析了从低速到高超音速飞行条件下的复杂气动效应，并详述了先进的数值模拟方法与实验测试技术。 --- 第一部分：空气动力学基础与基本方程 (Fundamentals and Governing Equations) 本部分构建了理解和分析空气动力学现象所需的数学和物理基础。我们从流体力学的基本假设和连续介质模型出发，详细阐述了空气作为可压缩粘性流体的基本性质。 第一章：流体力学基础回顾与航空背景 本章首先对经典流体力学中的守恒定律进行回顾，重点阐述了质量守恒（连续性方程）、动量守恒（纳维-斯托克斯方程）和能量守恒（热力学第一定律）在气体动力学中的应用形式。随后，引入了空气动力学特有的关键概念，如流线、迹线、流场、静温、动压和总压。着重区分了不可压缩流动、可压缩流动以及粘性流动与无粘流动的适用范围和物理差异。空气作为工作介质的特性，如气体常数、比热比（$gamma$）的确定及其对气动特性的影响，被进行了详尽的讨论。 第二章：等熵流动与一维可压缩流 本章深入探讨了理想情况下的等熵流动，这是分析气流通过收缩-膨胀管道（如喷管）的基础。详细推导了基于马赫数（$Ma$）的流量关系、临界流条件以及总温/总压与静参数的关系。重点分析了激波现象的产生机制——正激波和斜激波，运用罗伊（Rayleigh）公式和普朗特-迈耶（Prandtl-Meyer）关系式，精确计算激波后的参数变化，这是设计超音速进气道和尾喷管的关键。 第三章：空气动力学相似性与边界层理论 本章连接了理论模型与实际飞行器的关系。详细介绍了空气动力学中的相似性原理，特别是雷诺数（$Re$）、马赫数（$Ma$）、斯特劳哈尔数（$St$）等无量纲参数的物理意义及其在风洞试验和实际飞行中的等效性。随后，进入粘性流动的核心——边界层理论。拉格朗日（Lagrangian）和欧拉（Eulerian）描述方式的转换被清晰地呈现。边界层的形成、厚度、动量厚度和能量厚度的定义及其演化方程（普朗特输运方程）被详细推导。重点分析了对流速度剖面的影响，并讨论了转捩（层流到湍流的转变）的机理及其对阻力（摩擦阻力）的巨大影响。 --- 第二部分：低速与高升力系统空气动力学 (Low-Speed and High-Lift Aerodynamics) 本部分关注于亚音速飞行器（如传统飞机）的关键气动特性，特别是升力和阻力的产生机理和控制。 第四章：翼型理论与升力产生 本章从二维流动的角度审视机翼产生升力的物理过程。首先回顾了库塔-儒科夫斯基（Kutta-Joukowski）定理，并详细分析了伯努利原理在高攻角下的局限性。重点讨论了薄翼型理论（如库塔条件的应用），随后深入介绍了更为精确的复杂翼型理论，包括格林（Green）方法和格林-艾尔斯（Glauert）修正。对翼型剖面设计参数——弯度、厚度、最大弯度位置对升阻特性的影响进行了量化分析。 第五章：机翼理论与三维效应 本章将二维理论推广至三维机翼。详细分析了翼尖涡流的形成及其对诱导阻力的影响。系统阐述了经典的线性机翼理论：马格鲁斯（Magnus）方法和艾里（Elliptical Lift Distribution）理论。重点介绍了下行荷载（Lifting-Line Theory）和更先进的下行荷载方法（Lifting-Surface Theory），用于计算有限翼展机翼的升力线斜率和诱导阻力系数。探讨了后掠角、展弦比、展向厚度变化对三维升阻特性的耦合影响。 第六章：高升力装置与失速特性 本章专注于飞行器在起降阶段所需的高升力系统。详细分析了襟翼（Flaps）和缝翼（Slats）的工作原理，它们如何通过改变有效翼型形状、增加表面弯度和延迟气流分离来显著提高升阻比。对不同类型的襟翼（如单缝、双缝、福勒襟翼）的性能进行了对比。此外，对失速现象进行了深入研究，包括气流分离的临界点、失速的物理机理以及不同翼型设计如何影响失速特性和失速后控制。 --- 第三部分：高超音速空气动力学与冲击波 (Supersonic and Hypersonic Aerodynamics) 本部分转向高速飞行领域，聚焦于激波的精确处理和高马赫数下的气动热效应。 第七章：二维超音速流动与斜激波 本章将重点放在超音速流动的分析工具上。详细推导了克拉珀龙（Prandtl-Meyer）函数，用于计算围绕尖锐凸角的连续膨胀波。核心内容是斜激波理论，通过动量平衡和能量守恒，精确计算斜激波的偏转角、强度和下游气流参数，特别是如何设计超音速进气道（如二维楔形和锥形斜激波设计）。对马赫锥的概念及其在超音速识别中的作用进行了阐述。 第八章：超音速翼型与面积率法则 本章探讨了如何在超音速条件下最小化激波阻力。详细介绍了超音速翼型设计原则——尖锐前缘和负弯度。重点推导并应用了高阶的薄层扰动理论（如线性化激波理论），用于预测超音速下的升力线斜率和阻力。随后，系统地介绍了国民航空咨询委员会（NACA）的面积率法则（Area Rule），解释了它如何通过优化飞机横截面积分布，显著减小跨音速（$0.8 < Ma < 1.2$）的激波阻力。 第九章：高超音速流动与气动热力学 本章进入 $Ma > 5$ 的高超音速领域，关注高温效应和粘性作用的增强。分析了强激波下的气体化学反应、非平衡流动的概念。详细讨论了与高超音速飞行密切相关的现象：激波与边界层干扰（Shock-Boundary Layer Interaction, SBLI），这会导致局部热流密度急剧增加。深入探讨了气动热（Aerothermodynamics）问题，包括气流加热机制、表面温度的预测方法，以及对飞行器热防护系统（TPS）设计的要求。 --- 第四部分：计算空气动力学与实验方法 (Computational Aerodynamics and Experimental Techniques) 本部分提供了现代空气动力学研究的工具箱，涵盖了从数值模拟到实际风洞测试的关键技术。 第十章：计算空气动力学（CFD）基础 本章概述了数值求解纳维-斯托克斯方程（Navier-Stokes Equations）的方法。详细介绍了有限差分法（FDM）、有限体积法（FVM）和有限元法（FEM）在处理非结构化网格上的适用性。重点讨论了空间离散化中的通量守恒性与数值耗散问题。针对不同流动速度，介绍了欧拉方程、边界层方程和全粘性N-S方程的数值求解策略，并探讨了湍流模型的选择，如 $k-epsilon$ 和 $k-omega$ SST 模型在预测复杂流场中的性能。 第十一章：空气动力学实验技术 本章关注于物理测试手段。详细描述了不同类型风洞的结构、性能范围（如马赫数范围、雷诺数匹配）和测量限制。重点介绍了气动中心（$X_{AC}$）、静力矩（$M_0$）和压力系数的测量方法，包括压力探头和压力扫描系统。最后，详细阐述了先进的流场可视化技术，例如粒子图像测速（PIV）在捕捉瞬态涡结构中的应用，以及红外热成像技术在测量高超音速气动热载荷中的作用。 --- 本书结构严谨，从流体力学基本原理出发，逐步深入到亚音速、跨音速、超音速和高超音速等不同飞行状态下的专门问题，并结合现代计算与实验手段，为读者构建了一个完整、深入且面向工程实践的空气动力学知识体系。

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这本书在处理高超音速和稀薄气体效应这部分内容时，展现出了超前的视角。在这个许多基础教材往往止步于马赫数3的时代背景下，作者勇敢地迈入了极其复杂的化学反应流和气体动力学领域。关于激波与接触间断的相互作用，以及如何用拉格朗日描述来处理非平衡态流体的特性，这本书给出了比我预期要深入得多的分析。我特别关注了其中的“牛顿理论”在真实气流中的修正部分，作者通过一系列巧妙的参数变换，展示了如何将经典理论的结果外推到高焓状态。这部分内容对于从事再入飞行器设计的人来说，简直是如获至宝。书中对粘性与化学反应耦合的讨论，虽然数学推导的难度已经攀升到了研究生课程的水平，但其清晰的逻辑链条依然保持着这本书一贯的优点——让复杂的问题变得可被分解。唯一的不足或许在于，由于这部分理论发展较快，一些最新的实验数据和更先进的数值方法，如颗粒化（Particle-in-Cell）模拟的结果，在书中体现得相对有限，读者可能需要自行补充近十年的研究进展来完善这块知识版图。

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这部《空气动力学理论》的著作，坦率地说，对于我这个刚刚踏入航空航天领域的新手来说，简直是一场知识的洗礼，但也伴随着不小的挑战。我必须承认，在翻开这本书之前，我对流体力学和飞行原理的理解还停留在非常基础的科普层面。这本书的结构编排非常严谨，它没有急于展示那些炫目的高超音速飞行器或复杂的涡流模型，而是从最基本的流体运动方程开始，步步为深地构建起整个理论体系。作者在描述边界层理论和伯努利原理时，引用的数学推导极其详尽，几乎没有遗漏任何一个中间步骤，这对于自学者来说是极大的福音，确保了我们能够真正“理解”公式背后的物理意义，而非仅仅记住它们。然而，这也正是我感到压力山大的地方。在阅读关于势流理论和复杂翼型设计的部分时，我常常需要结合好几本参考书和大量的在线视频才能勉强跟上作者的思路。书中穿插的经典实验案例分析，如普朗特在翼型上的早期工作，极大地增强了理论的实践性，让我看到这些抽象的数学模型是如何一步步转化为实际可飞行的机械设计的。我尤其欣赏作者对“理想流体”和“实际流体”之间差距的讨论，那种对理论局限性的坦诚，体现了作者深厚的学术素养。总的来说，这是一本需要时间、耐心，并且可能需要反复研读才能真正消化的“硬核”教材，适合有一定数学基础、志在深入研究空气动力学原理的人士。

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阅读体验上，这本书给我带来了一种仿佛置身于早期空气动力学实验室的沉浸感。它的行文风格是极其古典和严谨的，用词考究，句子结构复杂而精准，几乎没有使用任何当代网络语言或过于简化的表达方式。这种风格无疑提升了文本的学术价值，但对于习惯了快节奏阅读的现代读者来说，可能需要一定的适应期。我尤其喜欢书中对历史背景的尊重，作者似乎对空气动力学的发展脉络有着深厚的感情，在介绍每一个核心理论时，都会适当提及奠基人的工作和他们所处的时代背景，这使得那些冰冷的公式背后有了温度和故事。比如，在解析失速机理时，作者详细对比了冯·卡门和兰彻斯特的不同观点，这种学术上的“对话”使得理论的演进过程变得生动起来。不过，说实话，插图的数量相对较少，而且很多图表是传统的黑白线条图，如果能增加一些现代计算流体力学（CFD）模拟的彩色可视化结果，对于理解三维复杂流场，尤其是边界层分离的可视化描述，将会更加直观和有力。这本书更像是一位老派大师的沉思录，它要求读者慢下来，用心去品味每一个论断的份量。

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关于如何使用这本书，我发现它更像是一本深度参考手册而非初级入门读物。这本书的价值体现在其内容的密度上，每一页都挤满了信息，几乎没有“填充物”。我尝试将其用作课堂教材，结果发现进度推进得异常缓慢，因为它强迫你必须掌握每一个细节才能进入下一部分。真正体会到它力量的场景，是在我进行一个关于低速翼型优化的小项目时，当我遇到某个特定的气动效率瓶颈，回翻这本书时，总能在“细节”章节里找到针对特定物理现象的深入解释，比如如何精确计算翼尖涡的诱导阻力，或者不同类型的涡流分离如何影响最小阻力系数。它的价值在于“深度挖掘”，而不是“广度覆盖”。对于那些需要为博士论文或高级工程项目寻找严谨理论支撑的人来说，这本书是无价的。它不仅告诉你“是什么”，更重要的是，它会反复追问“为什么是这样”，并提供多角度的证明路径。它需要你以一种近乎“考古”的耐心去挖掘，但一旦掌握，你对空气动力学的理解将不再是停留在表面计算，而是真正触及到流体力学思想的内核。

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这本书的深度和广度，远超出了我原本对一本“理论”书籍的想象。我原本以为它会像许多教科书那样，重点放在公式的罗列和基本概念的定义上，但《空气动力学理论》展示了一种近乎百科全书式的知识体系。书中对非定常流动的处理尤为精彩，它不仅停留在线性化的微扰理论层面，更是深入探讨了涡旋动力学在升力产生中的非线性作用。我印象非常深刻的是关于跨音速流动复杂性的章节，作者巧妙地运用了奇点分布法来分析激波的形成和传播，这种描述方式既保持了数学上的优雅，又清晰地揭示了高速飞行中气流行为的剧变。与我之前接触过的其他空气动力学书籍相比，这部作品在“应用数学”与“物理直觉”之间的平衡做得非常出色，它不会让你在复杂的积分和微分方程中迷失方向，而是总能及时地拉回到实际的物理现象上。例如，书中关于气动弹性力学的初步探讨，虽然篇幅不多，但其引入的颤振分析方法，为我理解结构与气动载荷的耦合效应打开了一扇新的窗户。对于那些希望构建一个完整、高阶空气动力学知识框架的工程师或研究人员来说，这本书无疑是案头必备的工具书，它提供的不仅仅是知识点，更是一种系统性的分析思维方式。

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