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空气动力学基本概念：激波：激波控制技术教程

1空气动力学基础

1.1流体动力学概述

流体动力学是研究流体（液体和气体）在运动状态下的行为及其与固体边

界相互作用的学科。在空气动力学中，我们主要关注气体的流动，尤其是空气。

流体动力学的基本方程包括纳维-斯托克斯方程，它描述了流体的运动规律，包

括流体的连续性、动量守恒和能量守恒。

1.1.1连续性方程

连续性方程描述了流体质量的守恒。在定常流动中，流体通过任意截面的

质量流量是恒定的。数学上，连续性方程可以表示为：

∂

+∇⋅=0

∂

∇

其中，是流体的密度，是流体的速度矢量，是梯度算子。

1.1.2伯努利方程

伯努利方程描述了在无粘性、不可压缩流体中，流体的压力、速度和高度

之间的关系。在定常流动中，伯努利方程可以表示为：

1

2

ℎ

++=常数

2

ℎ

其中，是流体的压力，是流体的速度，是重力加速度，是流体的高度。

1.2气体动力学基础

气体动力学是流体动力学的一个分支，专门研究气体的流动特性，尤其是

在高速流动中气体的压缩性和热力学性质。气体动力学中的一个重要概念是马

赫数，它定义为流体速度与当地声速的比值。

=

其中，是马赫数，是流体速度，是声速。

当马赫数小于1时，流动被认为是亚音速的；当马赫数等于1时，流动是

音速的；当马赫数大于1时，流动是超音速的。

1.2.1激波的形成与类型

激波是气体动力学中的一种现象，当流体以超音速通过障碍物或突然改变

方向时，激波就会形成。激波是一种压缩波，它在波前后的流体性质（如压力、

1

温度和密度）会发生突然变化。

1.2.1.1激波类型

激波可以分为几种类型，主要取决于激波的角度和流体的流动方向：

正激波：当流体垂直于障碍物表面流动时形成的激波。

斜激波：当流体以一定角度斜向障碍物表面流动时形成的激波。

膨胀波：与激波相反，膨胀波是一种在超音速流动中，流体压力

和密度降低的波。

1.2.1.2激波的形成

激波的形成可以通过以下简化的一维模型来理解。假设一个超音速流体遇

到一个静止的障碍物，流体的速度必须在障碍物表面处降为零。由于流体的不

可压缩性，这会导致流体在障碍物前堆积，形成一个压缩区域，即激波。激波

前后的流体速度、压力、温度和密度会发生突变。

1.2.2激波控制技术

激波控制技术旨在通过改变飞行器的形状或使用外部装置来减少或消除激

波的影响，从而提高飞行器的性能。常见的激波控制技术包括：

翼型优化：设计翼型以减少激波的形成。

激波偏转：使用激波偏转板来改变激波的方向，减少阻力。

激波消除：通过喷射气体或液体来消除激波，这种方法常用于高

超音速飞行器。

1.2.2.1翼型优化示例

翼型优化可以通过数值模拟来实现，使用计算流体力学（CFD）软件来模拟

不同翼型在超音速流动中的表现，然后选择或设计能够减少激波形成的翼型。

以下是一个使用Python和Op