本书定位为国家级一流课程《空气动力学》的辅助实验教材，帮助学生加深理解实验项目相关的空气动力学理论基础，包括重要的流动现象和定律、原理等，了解和掌握实验基本知识，包括风洞水洞实验设备、测试方法和测试技术功能和特点；在教材指导下，可以有选择地开展从基础性、综合性直到进阶性三个不同层次的实验项目。
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1982年在华北水利水电学院获学士学位，1989年在河海大学获硕士学位，1995年在清华大学获博士学位。1997年至今，在北京航空航天大学流体力学研究所工作；2000年至今，任教育部流体力学实验室责任教授，博士生指导教师；2003年至2012年，任航空科学与工程学院副院长。[1].2000.9 -- 至今
北京航空航天大学 航空科学与工程学院 教授
[2].1997.9 -- 2000.8
北京航空航天大学 飞行器设计与应用力学系 副教授
[3].1995.3 -- 1997.8
北京航空航天大学 飞行器设计与应用力学系 博士后
[4].1989.4 -- 1991.8
华北水利水电学院 水利系 讲师
[5].1982.7 -- 1986.8
华北水利水电学院 水利系 助教流体力学[1].中国空气动力学学会第六届理事会理事
[2].中国力学学会第十届流体力学专业委员会工业与环境流体力学专业组组长
[3].《空气动力学学报》编委
目录
绪论 1
0.1 空气动力学实验的目的和任务 1
0.2 空气动力学实验的历史 1
0.3 空气动力学实验的基本理论 5
0.4 空气动力学实验的基本方法 6
第1章 理论基础 12
1.1 连续方程 12
1.1.1 流体运动的描述 12
1.1.2 流线、流管与流量 16
1.1.3 散度、旋度与势函数 18
1.1.4 微分形式连续方程 21
1.1.5 积分形式连续方程 22
1.2 动量方程 26
1.2.1 理想流体微分形式动量方程及其伯努利积分方程 26
1.2.2 黏性流体微分形式动量方程及其伯努利积分方程 30
1.2.3 积分形式动量方程 36
1.3 能量方程 38
1.3.1 微分形式能量方程 38
1.3.2 积分形式能量方程 40
1.3.3 高速可压缩一维定常绝热流动能量方程 42
1.4 层流和湍流 43
1.4.1 黏性流体作用力特征与影响 43
1.4.2 黏性流体的层流和湍流流态 44
1.4.3 黏性流体流态的判定与雷诺数 44
1.4.4 黏性流体层流、湍流流动损失 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 边界层、流动分离和旋涡 48
1.5.1 旋涡的基本概念及定理 48
1.5.2 边界层 57
1.5.3 流动分离 62
1.6 激波和膨胀波 64
1.6.1 基本概念及一维绝热流动能量方程 64
1.6.2 马赫波 67
1.6.3 膨胀波 68
1.6.4 激波 69
1.7 翼型的气动特性 74
1.7.1 翼型的几何参数 74
1.7.2 翼型迎角和空气动力系数 76
1.7.3 低速翼型气动特性 78
1.7.4 亚声速、跨声速和超声速翼型气动特性简介 82
1.7.5 翼型气动特性实验 86
第2章 实验原理与误差分析 89
2.1 流体力学相似理论 89
2.1.1 原型实验和模拟实验 89
2.1.2 流体力学相似和相似参数 89
2.1.3 量纲分析 93
2.1.4 π定理的应用 97
2.2 实验设计 101
2.2.1 DOE介绍 102
2.2.2 DOE的统计学原理 104
2.2.3 DOE的操作步骤 105
2.2.4 实验策略与计划 106
2.3 实验误差分析 108
2.3.1 基本概念 108
2.3.2 误差理论与误差处理方法 111
2.3.3 间接测量误差的处理 117
2.3.4 实验数据处理的基本方法 120
第3章 实验设备与测试技术 124
3.1 风洞基础知识 124
3.1.1 风洞及其发展简介 124
3.1.2 风洞工作原理和分类 126
3.1.3 风洞性能和流场品质 127
3.1.4 风洞结构及其功能 128
3.1.5 风洞实验来流条件调整和测量 131
3.2 北京航空航天大学主要实验设备 131
3.2.1 低速风洞 133
3.2.2 高速风洞 136
3.2.3 多用途低速水洞 137
3.3 流动显示实验方法 138
3.3.1 流动显示及其发展历史 138
3.3.2 流动显示方法分类 140
3.4 参数测量实验方法 143
3.4.1 速度测量 144
3.4.2 压强测量 147
3.4.3 温度和热流测量 150
3.4.4 密度测量 151
3.4.5 壁面剪切应力测量 152
3.4.6 气动力和力矩测量 153
3.4.7 非定常气动力和压强测量 154
3.4.8 气动声学测量 156
第4章 基础性实验 164
4.1 二维物体绕流烟风洞流动显示实验 164
4.1.1 实验目的 164
4.1.2 实验原理 164
4.1.3 实验装置和实验方法 168
4.1.4 实验内容和步骤 169
4.1.5 思考和讨论 170
4.2 升力环量定理实验(马格纳斯效应) 170
4.2.1 实验目的 170
4.2.2 实验原理 171
4.2.3 实验装置和实验方法 172
4.2.4 实验内容和步骤 173
4.2.5 思考和讨论 174
4.3 风洞三角翼表面油流显示实验 175
4.3.1 实验目的 175
4.3.2 实验原理 175
4.3.3 实验设备和实验装置 178
4.3.4 实验方法和操作 179
4.3.5 实验报告 180
4.3.6 思考和讨论 180
4.4 水槽三角翼前缘涡染色液流动显示实验 181
4.4.1 实验目的 181
4.4.2 实验原理 181
4.4.3 实验设备 183
4.4.4 实验参数 185
4.4.5 实验内容和步骤 185
4.4.6 实验报告要求 185
4.4.7 思考和讨论 186
4.5 动量方程实验 186
4.5.1 实验目的 186
4.5.2 实验装置 186
4.5.3 实验原理 188
4.5.4 实验步骤 189
4.5.5 实验数据 189
4.5.6 思考讨论 190
4.5.7 注意事项 190
4.6 能量方程(伯努利方程)实验 190
4.6.1 实验目的 190
4.6.2 实验装置 190
4.6.3 实验原理 192
4.6.4 实验步骤 192
4.6.5 实验数据 193
4.6.6 思考讨论 194
4.6.7 注意事项 194
4.7 雷诺实验 194
4.7.1 实验目的 194
4.7.2 实验装置 194
4.7.3 实验原理 195
4.7.4 实验步骤 196
4.7.5 实验数据 197
4.7.6 思考讨论 197
4.7.7 注意事项 198
4.8 平板边界层内速度分布测量实验 198
4.8.1 实验目的 198
4.8.2 实验原理 198
4.8.3 实验装置和实验方法 199
4.8.4 实验内容和步骤及注意事项 204
4.8.5 实验报告要求 204
4.8.6 思考和讨论 205
附录 平板边界层速度测量实验数据记录 205
4.9 翼型表面压强分布测量实验 208
4.9.1 实验目的 208
4.9.2 实验原理 208
4.9.3 实验装置及实验方法 209
4.9.4 实验内容和步骤及注意事项 212
4.9.5 实验报告要求 213
4.9.6 思考与讨论 213
附录 翼型表面压强测量实验数据及处理结果 213
4.10 超声速风洞激波观测实验 216
4.10.1 实验目的 216
4.10.2 实验设备 216
4.10.3 实验原理 218
4.10.4 实验步骤 220
4.10.5 实验数据 221
4.10.6 思考讨论 222
4.10.7 注意事项 222
第5章 综合性实验 223
5.1 机翼模型机械式天平测力实验 223
5.1.1 实验目的 223
5.1.2 实验原理 223
5.1.3 实验设备及工作原理简介 225
5.1.4 实验步骤 231
5.1.5 实验报告要求 231
5.1.6 思考和讨论 232
5.1.7 实验数据记录 232
5.2 全机模型应变式天平测力实验 234
5.2.1 实验目的 234
5.2.2 实验设备及工作原理 234
·x· 空气动力学实验基础
5.2.3 实验步骤 240
5.2.4 实验报告要求 240
5.2.5 思考和讨论 240
5.2.6 实验数据记录 240
5.3 合成射流速度场测量实验 242
5.3.1 背景和意义 242
5.3.2 实验原理 243
5.3.3 实验设备仪器和实验过程 245
5.3.4 典型实验结果和分析 246
5.3.5 思考和讨论 250
5.4 风洞实验段流场品质测量实验 250
5.4.1 风洞流场品质研究 250
5.4.2 流场数据实验分析方法 251
5.4.3 实验设备及风洞 252
5.4.4 典型结果分析 256
5.4.5 小结 259
5.5 多段翼表面压强分布测量实验 259
5.5.1 增升装置简介 259
5.5.2 实验装置及模型 260
5.5.3 多段翼表面压力系数测量结果 262
5.5.4 小结 263
5.6 细长旋成体绕流速度场PIV实验 263
5.6.1 背景和意义 263
5.6.2 实验原理 264
5.6.3 实验设备仪器和实验过程 265
5.6.4 典型实验结果和分析 267
5.6.5 思考题 269
5.7 螺旋桨气动与噪声特性风洞实验 269
5.7.1 螺旋桨研究现状 269
5.7.2 螺旋桨风洞实验相似准则 271
5.7.3 实验装置与模型 272
5.7.4 实验步骤 277
5.7.5 实验数据处理 277
5.7.6 实验结果 279
5.7.7 思考题 282
5.8 多段翼气动噪声实验 282
5.8.1 增升装置气动噪声研究现状 282
5.8.2 麦克风阵列测试原理 283
5.8.3 实验装置及模型 285
5.8.4 多段翼气动噪声测量结果 287
5.8.5 小结 291
第6章 进阶性实验 292
6.1 昆虫扑翼运动学观测实验 292
6.1.1 背景和意义 292
6.1.2 实验原理 294
6.1.3 实验设备仪器和实验过程 296
6.1.4 典型实验结果和分析 297
6.1.5 思考题 300
6.2 空腔流动热线测速实验 300
6.2.1 空腔流动研究意义 300
6.2.2 实验装置及模型 300
6.2.3 空腔剪切层测量 302
6.2.4 小结 306
6.3 机翼俯仰振荡迟滞环动力学测量实验 306
6.3.1 机翼俯仰振荡研究背景 306
6.3.2 气动力迟滞原理 308
6.3.3 实验设置 309
6.3.4 数据采集及处理过程 310
6.3.5 测量结果 312
6.3.6 思考题 313
6.4 微流动Micro-PIV测量实验 313
6.4.1 背景和意义 313
6.4.2 实验原理 314
6.4.3 实验设备仪器和实验过程 315
6.4.4 典型实验结果及分析 319
6.4.5 思考题 323
6.5 油膜干涉法测量壁面摩擦应力实验 323
6.5.1 背景和意义 323
6.5.2 实验原理 323
6.5.3 实验设备仪器和实验过程 324
·xii· 空气动力学实验基础
6.5.4 典型实验结果和分析 327
6.5.5 思考和讨论 329
6.6 压敏漆压力分布测量实验 329
6.6.1 背景和意义 329
6.6.2 实验原理 330
6.6.3 实验设备仪器和实验过程 330
6.6.4 典型实验结果和分析 333
6.6.5 思考和讨论 335
6.7 起落架气动噪声特性与控制实验 335
6.7.1 起落架气动噪声的研究背景 335
6.7.2 实验装置及模型 336
6.7.3 简化前起落架噪声测量结果 338
6.7.4 小结 343
6.8 射流撞击壁面的磷光热成像测温实验 344
6.8.1 背景和意义 344
6.8.2 实验原理 345
6.8.3 实验设备仪器和实验过程 346
6.8.4 典型实验结果和分析 349
6.8.5 思考题 350
6.9 液滴冲击平板实验 350
6.9.1 背景和意义 350
6.9.2 实验原理 351
6.9.3 实验设备仪器和实验过程 351
6.9.4 典型实验结果和分析 354
6.9.5 思考题 357
6.10 超疏水涂层圆球减阻实验 357
6.10.1 实验目的 357
6.10.2 实验原理 357
6.10.3 实验装置和实验方法 358
6.10.4 实验内容、步骤及注意事项 360
6.10.5 实验数据记录和图像处理 361
6.10.6 思考与讨论 361
6.11 翼型地面效应风洞实验 361
6.11.1 背景和意义 361
6.11.2 实验原理 362
6.11.3 实验设备仪器和实验过程 363
6.11.4 典型实验结果和分析 365
6.11.5 思考题 366
6.12 机身滑水水槽拖曳实验 366
6.12.1 背景和意义 366
6.12.2 实验原理 367
6.12.3 实验设备仪器及实验过程 368
6.12.4 典型实验结果和分析 371
6.12.5 思考题 374
参考文献 375
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