2、航空动力学入门：基础概念与关键要素解析

航空动力学入门：基础概念与关键要素解析

1 航空动力学研究的意义与背景

航空航天领域是一个广泛且多学科的领域，涵盖了众多产品、学科和领域，不仅包括工程方面，还涉及许多相关的支持活动。空气动力学作为航空航天领域的关键科学，使得全球的航空航天产业得以发展。如果没有通过机翼、直升机旋翼和其他升力面的气流产生升力的能力，就不可能实现重于空气的飞行器飞行，也无法利用风力涡轮机发电。如今高效飞机的发展在很大程度上得益于能够准确模拟空气动力流，从而设计出高性能的机翼。

2 初步概念

2.1 空气动力和力矩

飞行中的飞机受到多种力的作用，重力产生重量力，推进系统提供推力，空气则产生空气动力 (A)。空气动力学的核心问题是预测空气动力，其作用线或等效的力矩同样重要。飞机在空气中运动迫使空气流动，从而产生空气动力应力。根据牛顿第三运动定律，空气应力会传递回飞机表面，这些应力包括压力应力和粘性应力，飞机表面应力的总和就是空气动力和力矩。
- 参考系的运动 ：如果参考系被一个以恒定相对速度运动的参考系所取代，牛顿运动方程保持不变。这意味着在稳定飞行的飞机上的观察者和地面上的观察者都能同样好地计算或测量空气动力。在飞机的参考系中，飞机静止，空气以速度 (-V) 运动。这种等效性在空气动力学中非常有用，例如可以在风洞中测量空气动力，或者通过在固定于飞机表面的网格上对控制方程进行数值求解来计算空气动力。
- 坐标系的方向 ：在参考系中可以选择多种坐标系，如地心坐标系、由飞行的瞬时速度、曲率和扭转定义的笛卡尔坐标系，以及固定在飞机上并随其移动和旋转的笛卡尔坐标系。在空气动力学中，通常使用最