空氣動力學實驗基礎

目錄
緒論 1
0.1 空氣動力學實驗的目的和任務 1
0.2 空氣動力學實驗的歷史 1
0.3 空氣動力學實驗的基本理論 5
0.4 空氣動力學實驗的基本方法 6
第1章 理論基礎 12
1.1 連續(xù)方程 12
1.1.1 流體運動的描述 12
1.1.2 流線、流管與流量 16
1.1.3 散度、旋度與勢函數(shù) 18
1.1.4 微分形式連續(xù)方程 21
1.1.5 積分形式連續(xù)方程 22
1.2 動量方程 26
1.2.1 理想流體微分形式動量方程及其伯努利積分方程 26
1.2.2 黏性流體微分形式動量方程及其伯努利積分方程 30
1.2.3 積分形式動量方程 36
1.3 能量方程 38
1.3.1 微分形式能量方程 38
1.3.2 積分形式能量方程 40
1.3.3 高速可壓縮一維定常絕熱流動能量方程 42
1.4 層流和湍流 43
1.4.1 黏性流體作用力特征與影響 43
1.4.2 黏性流體的層流和湍流流態(tài) 44
1.4.3 黏性流體流態(tài)的判定與雷諾數(shù) 44
1.4.4 黏性流體層流、湍流流動損失 45
1.4.5 湍流的基本特征 46
1.4.6 湍流的描述方法 47
1.5 邊界層、流動分離和旋渦 48
1.5.1 旋渦的基本概念及定理 48
1.5.2 邊界層 57
1.5.3 流動分離 62
1.6 激波和膨脹波 64
1.6.1 基本概念及一維絕熱流動能量方程 64
1.6.2 馬赫波 67
1.6.3 膨脹波 68
1.6.4 激波 69
1.7 翼型的氣動特性 74
1.7.1 翼型的幾何參數(shù) 74
1.7.2 翼型迎角和空氣動力系數(shù) 76
1.7.3 低速翼型氣動特性 78
1.7.4 亞聲速、跨聲速和超聲速翼型氣動特性簡介 82
1.7.5 翼型氣動特性實驗 86
第2章 實驗原理與誤差分析 89
2.1 流體力學相似理論 89
2.1.1 原型實驗和模擬實驗 89
2.1.2 流體力學相似和相似參數(shù) 89
2.1.3 量綱分析 93
2.1.4 π定理的應用 97
2.2 實驗設計 101
2.2.1 DOE介紹 102
2.2.2 DOE的統(tǒng)計學原理 104
2.2.3 DOE的操作步驟 105
2.2.4 實驗策略與計劃 106
2.3 實驗誤差分析 108
2.3.1 基本概念 108
2.3.2 誤差理論與誤差處理方法 111
2.3.3 間接測量誤差的處理 117
2.3.4 實驗數(shù)據(jù)處理的基本方法 120
第3章 實驗設備與測試技術 124
3.1 風洞基礎知識 124
3.1.1 風洞及其發(fā)展簡介 124
3.1.2 風洞工作原理和分類 126
3.1.3 風洞性能和流場品質(zhì) 127
3.1.4 風洞結(jié)構(gòu)及其功能 128
3.1.5 風洞實驗來流條件調(diào)整和測量 131
3.2 北京航空航天大學主要實驗設備 131
3.2.1 低速風洞 133
3.2.2 高速風洞 136
3.2.3 多用途低速水洞 137
3.3 流動顯示實驗方法 138
3.3.1 流動顯示及其發(fā)展歷史 138
3.3.2 流動顯示方法分類 140
3.4 參數(shù)測量實驗方法 143
3.4.1 速度測量 144
3.4.2 壓強測量 147
3.4.3 溫度和熱流測量 150
3.4.4 密度測量 151
3.4.5 壁面剪切應力測量 152
3.4.6 氣動力和力矩測量 153
3.4.7 非定常氣動力和壓強測量 154
3.4.8 氣動聲學測量 156
第4章 基礎性實驗 164
4.1 二維物體繞流煙風洞流動顯示實驗 164
4.1.1 實驗目的 164
4.1.2 實驗原理 164
4.1.3 實驗裝置和實驗方法 168
4.1.4 實驗內(nèi)容和步驟 169
4.1.5 思考和討論 170
4.2 升力環(huán)量定理實驗(馬格納斯效應) 170
4.2.1 實驗目的 170
4.2.2 實驗原理 171
4.2.3 實驗裝置和實驗方法 172
4.2.4 實驗內(nèi)容和步驟 173
4.2.5 思考和討論 174
4.3 風洞三角翼表面油流顯示實驗 175
4.3.1 實驗目的 175
4.3.2 實驗原理 175
4.3.3 實驗設備和實驗裝置 178
4.3.4 實驗方法和操作 179
4.3.5 實驗報告 180
4.3.6 思考和討論 180
4.4 水槽三角翼前緣渦染色液流動顯示實驗 181
4.4.1 實驗目的 181
4.4.2 實驗原理 181
4.4.3 實驗設備 183
4.4.4 實驗參數(shù) 185
4.4.5 實驗內(nèi)容和步驟 185
4.4.6 實驗報告要求 185
4.4.7 思考和討論 186
4.5 動量方程實驗 186
4.5.1 實驗目的 186
4.5.2 實驗裝置 186
4.5.3 實驗原理 188
4.5.4 實驗步驟 189
4.5.5 實驗數(shù)據(jù) 189
4.5.6 思考討論 190
4.5.7 注意事項 190
4.6 能量方程(伯努利方程)實驗 190
4.6.1 實驗目的 190
4.6.2 實驗裝置 190
4.6.3 實驗原理 192
4.6.4 實驗步驟 192
4.6.5 實驗數(shù)據(jù) 193
4.6.6 思考討論 194
4.6.7 注意事項 194
4.7 雷諾實驗 194
4.7.1 實驗目的 194
4.7.2 實驗裝置 194
4.7.3 實驗原理 195
4.7.4 實驗步驟 196
4.7.5 實驗數(shù)據(jù) 197
4.7.6 思考討論 197
4.7.7 注意事項 198
4.8 平板邊界層內(nèi)速度分布測量實驗 198
4.8.1 實驗目的 198
4.8.2 實驗原理 198
4.8.3 實驗裝置和實驗方法 199
4.8.4 實驗內(nèi)容和步驟及注意事項 204
4.8.5 實驗報告要求 204
4.8.6 思考和討論 205
附錄 平板邊界層速度測量實驗數(shù)據(jù)記錄 205
4.9 翼型表面壓強分布測量實驗 208
4.9.1 實驗目的 208
4.9.2 實驗原理 208
4.9.3 實驗裝置及實驗方法 209
4.9.4 實驗內(nèi)容和步驟及注意事項 212
4.9.5 實驗報告要求 213
4.9.6 思考與討論 213
附錄 翼型表面壓強測量實驗數(shù)據(jù)及處理結(jié)果 213
4.10 超聲速風洞激波觀測實驗 216
4.10.1 實驗目的 216
4.10.2 實驗設備 216
4.10.3 實驗原理 218
4.10.4 實驗步驟 220
4.10.5 實驗數(shù)據(jù) 221
4.10.6 思考討論 222
4.10.7 注意事項 222
第5章 綜合性實驗 223
5.1 機翼模型機械式天平測力實驗 223
5.1.1 實驗目的 223
5.1.2 實驗原理 223
5.1.3 實驗設備及工作原理簡介 225
5.1.4 實驗步驟 231
5.1.5 實驗報告要求 231
5.1.6 思考和討論 232
5.1.7 實驗數(shù)據(jù)記錄 232
5.2 全機模型應變式天平測力實驗 234
5.2.1 實驗目的 234
5.2.2 實驗設備及工作原理 234
x 空氣動力學實驗基礎
5.2.3 實驗步驟 240
5.2.4 實驗報告要求 240
5.2.5 思考和討論 240
5.2.6 實驗數(shù)據(jù)記錄 240
5.3 合成射流速度場測量實驗 242
5.3.1 背景和意義 242
5.3.2 實驗原理 243
5.3.3 實驗設備儀器和實驗過程 245
5.3.4 典型實驗結(jié)果和分析 246
5.3.5 思考和討論 250
5.4 風洞實驗段流場品質(zhì)測量實驗 250
5.4.1 風洞流場品質(zhì)研究 250
5.4.2 流場數(shù)據(jù)實驗分析方法 251
5.4.3 實驗設備及風洞 252
5.4.4 典型結(jié)果分析 256
5.4.5 小結(jié) 259
5.5 多段翼表面壓強分布測量實驗 259
5.5.1 增升裝置簡介 259
5.5.2 實驗裝置及模型 260
5.5.3 多段翼表面壓力系數(shù)測量結(jié)果 262
5.5.4 小結(jié) 263
5.6 細長旋成體繞流速度場PIV實驗 263
5.6.1 背景和意義 263
5.6.2 實驗原理 264
5.6.3 實驗設備儀器和實驗過程 265
5.6.4 典型實驗結(jié)果和分析 267
5.6.5 思考題 269
5.7 螺旋槳氣動與噪聲特性風洞實驗 269
5.7.1 螺旋槳研究現(xiàn)狀 269
5.7.2 螺旋槳風洞實驗相似準則 271
5.7.3 實驗裝置與模型 272
5.7.4 實驗步驟 277
5.7.5 實驗數(shù)據(jù)處理 277
5.7.6 實驗結(jié)果 279
5.7.7 思考題 282
5.8 多段翼氣動噪聲實驗 282
5.8.1 增升裝置氣動噪聲研究現(xiàn)狀 282
5.8.2 麥克風陣列測試原理 283
5.8.3 實驗裝置及模型 285
5.8.4 多段翼氣動噪聲測量結(jié)果 287
5.8.5 小結(jié) 291
第6章 進階性實驗 292
6.1 昆蟲撲翼運動學觀測實驗 292
6.1.1 背景和意義 292
6.1.2 實驗原理 294
6.1.3 實驗設備儀器和實驗過程 296
6.1.4 典型實驗結(jié)果和分析 297
6.1.5 思考題 300
6.2 空腔流動熱線測速實驗 300
6.2.1 空腔流動研究意義 300
6.2.2 實驗裝置及模型 300
6.2.3 空腔剪切層測量 302
6.2.4 小結(jié) 306
6.3 機翼俯仰振蕩遲滯環(huán)動力學測量實驗 306
6.3.1 機翼俯仰振蕩研究背景 306
6.3.2 氣動力遲滯原理 308
6.3.3 實驗設置 309
6.3.4 數(shù)據(jù)采集及處理過程 310
6.3.5 測量結(jié)果 312
6.3.6 思考題 313
6.4 微流動Micro-PIV測量實驗 313
6.4.1 背景和意義 313
6.4.2 實驗原理 314
6.4.3 實驗設備儀器和實驗過程 315
6.4.4 典型實驗結(jié)果及分析 319
6.4.5 思考題 323
6.5 油膜干涉法測量壁面摩擦應力實驗 323
6.5.1 背景和意義 323
6.5.2 實驗原理 323
6.5.3 實驗設備儀器和實驗過程 324
xii 空氣動力學實驗基礎
6.5.4 典型