国家级精品/一流课程配套教材：北航刘沛清教授主编《空气动力学实验基础》

▲ 飞机模型测力风洞实验示意图

气动力测量风洞实验可以直接测得作用在模型上的气动力参数，得到翼型等部件、飞行器全机的气动特性，是航空航天工程飞行器设计和性能验证环节中，获取飞行器性能参数的最重要的技术途径，是飞行器风洞实验的重要内容。基于相似理论，可以将风洞中模型测力结果直接外推得到真实飞行条件下飞行器的气动力参数。

空气动力学是研究空气处于平衡和机械运动状态下的力学规律及其应用的学科，其主要任务是研究飞行器（飞机､ 导弹等）在不同飞行条件下流场与气动力的规律。实验空气动力学是空气动力学的主要分支，是用实验方法研究空气运动或物体在空气中相对运动时的宏观运动规律和力学行为，以便为揭示流动规律、建立理论、实际应用等提供依据。其一方面是人们定性认知物理现象的重要手段，另一方面也是确定物理量之间定量关系以及建立和验证理论正确性的重要途径。

▲ 达·芬奇湍流图画

▲ 雷诺转捩实验装置与结果

1880年英国物理学家雷诺完成了圆管流态转捩实验，1883年提出层流和湍流的概念

实验流体力学的发展，可以追溯到公元前250年，古希腊科学家阿基米德建立了物体浮力定理和浮体稳定性的液体平衡理论，为流体静力学奠定了基础。同时代我国李冰父子在岷江上建成了都江堰分流引水工程。直到15世纪，意大利科学家达·芬奇对湍流、管流、水力机械和鸟的飞行等现象进行了定性观察，并用画笔记录了许多观察到的现象。到公元17世纪后，质点力学与微积分的结合，通过构建经典连续介质力学，建立起质点运动速度、加速度、压强等物理概念与流体质量、动量、能量三大守恒定律，实验流体力学才得以快速发展。意大利物理学家伽利略首次演示了在空气中物体运动所受到的阻力，意大利流体力学家托里拆利通过实验提出孔口出流速度、重力加速度与水头落差之间的关系，法国物理学家帕斯卡通过实验提出流体静压力传递定理并制成水压机，英国物理学家牛顿在实验研究的基础上提出流体内摩擦定律，法国工程师皮托发明了一种测量流体总压的装置(皮托管)，意大利物理学家文丘里发明了用于测量管道流量的收缩扩张型管道，英国物理学家雷诺完成了圆管流态转捩实验，德国流体力学家普朗特在大量实验观察的基础上提出了著名的边界层理论概念。

在空气动力学实验中，主要包括实验理论和实验方法与技术两个方面。对于实验理论，是指相似理论和误差分析理论。

▲ 风洞模型实验

模型实验(风洞实验)采用与真实物体几何相似的缩比模型，在风洞流场条件下进行

空气动力学实验分为一般性实验、实物实验和模型实验。一般性实验是指对抽象知识理论所做的现实操作，用来证明它正确或者推导出新的结论。而模型实验是对具体事物或现象所做的一种检测性的操作，用来检测物理现象的发展过程等。实物实验虽然不会出现模型和环境模拟失真的问题，一直是最后鉴定实物流动和观测流场的手段，但实验费用昂贵，实验条件难以控制。为使模型实验结果能够应用于真实情况，必须使模型和实物两种流动相似，作用于它们上面的各种力对应成比例(动力相似)，这就提出了由不同力比值形成的无量纲数相似参数，例如，马赫数、雷诺数、弗劳德数、韦伯数和斯特劳哈尔数等。在一项模型实验中，要使所有参数都与真实物体完全相等是难以做到的，有时甚至是矛盾的。常常保证主要参数相似即可。

▲ 使用打靶的例子来说明测量值的精确度和准确度的关系。图为四名射击者的打靶成绩。图中给出的圆环圆心黑点代表真值，圆环中星形的点代表多次重复测量的结果。在图 (d)中，测量值比较集中，并且非常接近真值，其均值可认为与真值相等，此时系统误差和随机误差都较小，即精准度较高

为了建立模型实验和实物实验的相似关系，英国力学家与数学家斯托克斯在几何相似和运动相似的条件下，首先从微分方程组出发提出了动力相似性理论。美国物理学家布金汉基于量纲分析法提出著名的π定理，为相似性实验奠定了理论基础。该理论是保证原型和模型物理现象相似的定律，是揭示自然现象中特殊性与一般性的关系法则。相似理论为模拟实验提供理论指导，确定模型尺度的缩小或放大比例。对于误差分析理论，为了通过实验和测量能使人们对事物获得定性概念和定量关系，以便发现事物发展的一般规律性，就必然要仔细审查物理量测量的准确性和精确性，由此引出了测量误差问题。因受实验设备、方法、环境、测量仪器、测量程序等方面的限制，任何物理量的测量值和真实值之间总是不可避免地存在一定的差异。人们常用绝对误差、相对误差或有效数字来说明一个近似值的准确程度。为了评定实验数据的精确性，分析误差的来源及其影响是必要的。由此判定哪些因素是影响实验精确度的主要方面，从而在实验中进一步改进实验方案，缩小实验测量值和真值之间的差值，提高实验的精确性和准确性。

▲ 某型飞机模型表面压力敏感涂料风洞实验

1 atm = 1.01325×105Pa

对于实验方法与技术，主要包括流动显示和流动测量两类。流动显示是指使流动过程可视化，而流动测量是指获取流动过程定量化信息，它们相辅相成，是空气动力学实验的主要组成部分。通过各种流动显示与测量实验，不仅可以探索物理机制和规律，而且也是解决实际问题的重要手段。可以说，在空气动力学发展过程中每一次理论上的突破及其应用几乎都是从对流动现象的观察开始的。如1880年的雷诺转捩实验，1888年的马赫激波现象实验，1904年普朗特提出的边界层概念，1912年冯·卡门的圆柱体绕流涡街理论等，无一不是以流动显示和测量的结果为基础。

《空气动力学实验基础》（刘沛清主编. 北京 : 科学出版社,2025.1）作为国家级精品/一流课程空气动力学课程的配套教材，以空气动力学的基本原理和机翼空气动力特性为主线，重点对基础实验、综合性实验和进阶性实验的基本原理、方法与实验步骤给出阐述。特别是对8项实验科目，包括不可压缩流体定常流能量方程、不可压缩流体定常流动量定律、雷诺流态转捩实验、不可压缩流体平板边界层测量、拉瓦尔喷管沿程Ma 分布实验、圆柱和三角翼绕流显示实验、翼型压强分布和机翼纵向气动力风洞实验，给出详细的介绍。

全书共7章，包括：绪论；第1章介绍空气动力学基本理论，重点阐述空气动力学的基本原理；第2章介绍空气动力学实验原理与误差分析；第3章介绍空气动力学实验设备与测试技术，重点介绍流动显示、速度、压强、密度、温度、气动力和力矩等物理量的测量原理和技术；第4章介绍空气动力学的基础性实验；第5章介绍空气动力学的综合性实验；第6章介绍空气动力学的进阶性实验。

本书在内容的取材和论述过程中，从直观易懂的物理概念入手，将空气动力学基本原理和实验测量相结合，用通俗易懂的语言和循序渐进的手段介绍了实验空气动力学的基础性实验、综合性实验和进阶性实验。

本文摘编自《空气动力学实验基础》（刘沛清主编. 北京 : 科学出版社,2025.1）一书“前言”，有删减修改，标题为编者所加。

ISBN 978-7-03-079784-1

责任编辑：赵敬伟 郭学雯

空气动力学是研究空气处于平衡和机械运动状态下的力学规律及其应用的学科，其主要任务是研究飞行器(飞机､ 导弹等)在不同飞行条件下流场与气动力的规律。而实验空气动力学作为空气动力学的主要分支，主要基于相对飞行原理，借助风洞和水洞设备，实验测量绕过物理模型的物理量变化规律，此外还有自由飞实验和高速轨道车实验等。本书围绕空气动力学理论课程的主要内容，以空气动力学的基本原理和机翼空气动力特性为主线，重点对基础性实验、综合性实验和进阶性实验的原理、方法与实验步骤给出阐述。特别是针对国家级精品/一流课程空气动力学课程的配套教材内容，重点介绍了实验空气动力学的基本理论与误差分析、空气动力学实验设备与测试技术以及基础性实验、综合性实验和进阶性实验科目。以便为初学者掌握空气动力学基本原理和方法提供参考。

本书可作为飞行器设计、工程力学、空气动力学、飞行力学等航空航天工程类专业本科生、研究生、教师、科研人员和工程技术人员的实验参考教材。

（本文编辑：刘四旦）

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