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空气动力学实验方法：力平衡测量：空气动力学基础理论

1空气动力学基础理论

1.1流体力学基本概念

流体力学是研究流体（液体和气体）的运动和静止状态的学科。在空气动

力学中，我们主要关注气体的特性，尤其是空气。流体的基本特性包括：

密度（ρ）:单位体积的流体质量。

压力（P）:流体垂直作用于单位面积上的力。

速度（V）:流体在某一点的运动速度。

温度（T）:流体的热状态，影响其密度和压力。

流体的运动状态可以用流线来描述，流线是流体中各点速度方向的轨迹。

在理想流体中，流线不会交叉，但在实际流体中，由于粘性的影响，流线可能

会出现复杂的形态。

1.2伯努利定理与连续性方程

1.2.1伯努利定理

伯努利定理描述了在理想流体中，流体的速度增加时，其压力会减小，反

之亦然。这一原理在空气动力学中尤为重要，因为它解释了翼型产生升力的机

制。伯努利定理的数学表达式为：

1

++ℎ=常数

2

ℎ

其中，是压力，是流体密度，是流体速度，是重力加速度，是高度。

1.2.2连续性方程

连续性方程基于质量守恒原理，指出在流体中，流过任意截面的流体质量

是恒定的。在恒定流中，如果流体不可压缩，连续性方程可以简化为：

=

111222

其中，和分别是流体在两个不同截面的密度，和是流体在两个截

1212

面的速度，和是两个截面的面积。

12

1.3空气动力学中的力与力矩

在空气动力学中，作用在飞行器上的力主要包括：

升力（L）:垂直于飞行方向的力，使飞行器上升。

阻力（D）:与飞行方向相反的力，减缓飞行器的速度。

1

侧力（Y）:横向于飞行方向的力，影响飞行器的侧向运动。

俯仰力矩（M）:影响飞行器俯仰（上下）姿态的力矩。

滚转力矩（N）:影响飞行器滚转（左右）姿态的力矩。

偏航力矩（L）:影响飞行器偏航（旋转）姿态的力矩。

这些力和力矩的计算通常基于流体动力学理论，如伯努利定理和连续性方

程，以及飞行器的几何形状和运动状态。

1.4翼型与机翼的升力特性

1.4.1翼型

翼型是指机翼的横截面形状。常见的翼型包括：

平直翼型:上下表面几乎平行。

弧形翼型:上表面比下表面更弯曲，形成翼型的“上凸下平”。

双凸翼型:上下表面都向外凸出。

1.4.2升力特性

升力的产生主要依赖于翼型的形状和气流的相对速度。当气流经过翼型时，

上表面的流速比下表面快，根据伯努利定理，上表面的压力会比下表面低，从

而产生向上的升力。

升力系数（）是描述翼型升力特性的重要参数，它与攻角（）有关。攻

角是指翼型的弦线与相对气流方向之间的角度。升力系数随攻角的变化关系可

以通过实验数据或数值模拟获得。

1.4.3实验数据示例

假设我们有以下实验数据，描述了某翼型在不同攻角下的升力系数：