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可压缩流体力学 Compressible Fluid Flow 一维气体动力学 One-Dimensional Gas Dynamics Chapter 1 Introduction §1.1 气体动力学的涵义 学科名 Discipline 主要研究范围 Primary Scope 流体力学 不可压缩流体动力学 Fluid Dynamics Incompressible Fluid Flow 空气动力学（主要指外流） 不可压缩＋可压缩流体动力学 Aerodynamics Incom-＋Com-pressible Fluid Flow 气体动力学 不可压缩＋可压缩＋加热＋化学反应流体动力学 Gas Dynamics Incom-＋Com-＋Thermo-＋Chemo- Fluid Flow ＝气动热力学 ＝Aerothermodynamics 气体动力学 在连续介质的假设下，研究可压缩、有热效应的气体介质的运动规律，和气体与固体之间的相互作用力的学科。 属于经典的牛顿力学体系。 §1.2 本“气动基础”课程学习的范围、侧重研究的对象 气动是在经典流体力学的基础上，结合热力学和化学动力学而发展起来的，可分为 亚音速流动，跨音速流动，超音速流动，高超音速流动 一维流动，二维流动，三维流动 定常流动，非定常流动 内流问题（燃气轮机，喷气发动机，风洞），外流问题（飞行器） 气流成分无化学变化，有化学变化（燃烧） 气流参数连续变化，突越变化（激波，超音速爆震燃烧波） §1.3 气体动力学发展简史 专门研究始于1870年代 1687，1759，1816，牛顿，欧拉，拉普拉斯分别尝试计算音速 1755，欧拉(瑞士)建成无粘性流体力学欧拉方程组，连续性假设 1839，1855，圣维南(法)等给出气体通过小孔时速度的计算公式 1845，Navier(法), Stokes(英)等建成流体力学不可压N-S方程组 1869,87，兰金(英)－许贡纽(法)理论研究大波幅强扰动波－激波 1881，贝特洛Berthelot(法)等，马兰德Mallard等分别不期而实 验发现了管中火焰传播速度高达1－3.5 km/s（超音速 3-10倍）的超音速燃烧现象，爆震波＝激波＋燃烧波 1883，拉瓦尔Laval（瑞典）在研制蒸汽轮机时发明拉瓦尔喷管 1887，马赫Mach（奥地利）弹丸实验发现超声速流动特征是 1899,1905，查普曼Chapman和儒盖Jouguet各自独立地创立了 平稳自持爆震理论，后者后来还写出第一本爆炸力学著作《炸药的力学》 1902，恰普雷金（俄）博士论文用速度图法研究气体亚音射流 1904-20年代，普朗特Prandtl（德）的普朗特－迈耶流动理论 （超音速膨胀波和弱压缩波），风洞技术，边界层理论， 机翼举力线、举力面理论，湍流理论，接合理论流体与 实验流体，奠定了现代流体力学气体动力学研究的基础 1930-40年代，卡门Karman（美籍匈），钱学森（中）的机翼举 力面理论，机翼非定常流理论，非线性小扰动方法，跨 音速机翼理论，高超音速气动加热理论，板壳屈曲理论 World War II，亚音速螺旋桨飞机飞到Mach 0.5-0.6发展的需求 Cold War-2000年代，超音速涡轮式喷气飞机、航天运载器、 超音速冲压飞行器、高超音速冲压（Mach 5－30）飞行 器发展的需求，带动了气体动力学向理论、实验、数值 计算的深度、精度、广度进军 普朗特Prandtl（德）的机翼举力线、举力面理论 机翼气流有环量，即旋涡，对应着升力――以数模代替真实机翼 普朗特，冯·卡门 和 钱学森 §1.4 一维气体动力学研究的特点 物理概念＋一维（控制体）数学模型 重物理概念，重简化数模，重实验 So, in the study of aerothermodynamics, it requires you to learn the ability of thinking solving science engineering issues by means of some lower dimensional kinds of fluid flow equation(s). 多维气体动力学（二维、三维、非定常数学模型） 用于 1. 解空间―时间精细问题， 2. 推导降维数模