第1章绪论
1.1气体动力学研究范畴
在自然界中物质存在的形态包括固体、液体、气体，以及等离子体，气体是其中之一。气体不同于固体和液体的一个典型特质是其可压缩性，在我们的生活中，会遇到这样一些场景，例如，我们在高山顶上喝了些矿泉水，然后拧紧瓶盖，当我们下到山底的时候丨山底气压比山顶高），会发现矿泉水瓶被压瘪一些，而没被喝过的矿泉水瓶却变化不大。这其中的缘由就是空瓶里的空气比满瓶里的矿泉水更容易被压缩。关于气体的可压缩性，将在第2章讲述，本处暂不展开，而仅仅给出这一课程的概貌。
本书气体动力学，是研究可压缩流体高速运动规律及其与固体的相互作用。严格来讲，应该称为可压缩气体动力学。
气体动力学关注的问题，按照解决问题的先后步骤，可以分为正问题和反问题。所谓正问题的提法，是指给定物体的外形和流场的边界条件和初始条件，求解物体周边的流动参数，特别是作用在物体表面上的气动力与气动热特性。反问题的提法则是，给定部分流动条件，为实现气动力与气动热指标，求解*佳物体外形，也可称为优化求解问题。
根据气体流动本身的特征，也可以有若干分类方法，例如，内流问题与外流问题，可压缩流动问题与不可压缩流动问题，亚声速、跨声速、超声速及高超声速流动问题，反应气体流动问题与惰性气体流动问题，层流问题与湍流问题，定常流动问题与非定常流动问题，等等。
1.2气体动力学发展史
气体动力学是流体力学（fluid dynamics）的一个分支，它是流体力学不断发展和细化的产物。流体力学通常分为水动力学（hydrodynamics）和气体动力学(gas dynamics）随着科学细分以及应用领域细分，还派生出空气动力学（aerodynamics）、不可压缩气体动力学（incompressible gas dynamics）、可压缩气体动力学(compressible gas dynamics）、高温气体动力学(high-temperature gas dynamics）、稀薄气体动力学（rarefied gas dynamics）、多相流体动力学（multiphase fluid dynamics）、等离子流体动力学（plasma fluid dynamics）、生物流体力学（biological fluid mechanics）环境流体力学（environmental fluid mechanics）、磁流体力学(magneto fluid mechanics）等细分学科或分支。
1.2.1航海时代与水动力学（-1870）
水动力学的发展始于航海时代，其应用牵引是造船技术。西班牙曾经依靠其强大的造船技术而崛起于地中海，沿岸国家无不臣服。1588年，伊丽莎白一世时期的英格兰，意欲脱离西班牙王国的统治，这引来了西班牙王国的无敌舰队（Armada）。然而，英格兰小巧、快速、灵活的小型战船*终战胜了无敌舰队，这一战成为英格兰历史上由弱到强的转折点。
1588年英格兰海战这一历史事件，引起了学者对造船技术的兴趣，如何减小阻力成为设计者追求的目标。牛顿在1687年出版的著作《自然哲学的数学原理》中阐述了他的船阻牛顿公式，即阻力正比于sin20，其中，e为船首半锥角，如图1.1所示。牛顿公式推导的流动图像假设是错误的，但在高超声速流动中其成为经典而又高效的计算公式。因此，在讲解气体动力学的时候，大家都要提一下牛顿公式，虽然那不是牛顿的本意。
水动力学与气体动力学的应用是相互融合的，一个典型的案例就是空泡（cavitation）流动，就是在液体环境中的气体动力学问题。在高速旋转的水轮叶尖，气体泡的产生、演化及猝灭对叶片表面产生破坏，称为气蚀现象，如图1.2所示。空泡流动及气蚀现象是水动力学与气体动力学交叉研究领域的一个重要方向。
1.2.2低速航空时代与气体动力学的奠基（1870-1935）
人类对飞行的梦想源于对飞鸟的模仿，而飞鸟是对气体动力学感知*为敏锐的自然界生物，远胜于人类。例如，图1.3中的几种鸟：啄木鸟、信天翁、飞燕、鹰，经过悠远的自然选择，它们都有一对适应生存环境的翅膀。啄木鸟的椭圆形翅膀易于控制，适合在树木间机动飞行；信天翁的细长翅膀可以产生大升力，适合在高空翱翔；飞燕的后掠型翅膀阻力小，适合随季节迀徙的长途飞行；鹰作为飞禽食物链的*顶端，其翅膀综合了以上各种飞鸟的优势。
还有一个例子能充分证明飞鸟对气体动力学的感知——雁阵的“人”字形编队飞行，见图1.4。阵型中的后雁能感知前雁产生的翼尖涡，并充分利用翼尖涡产生的上升气流。
在具备空气动力学*基本的认识后，人类开始模仿鸟类飞行，德国工程师和滑翔飞行家李林达尔（Otto Lilienthal，1848-1896）及其滑翔飞行器（图1.5）就是典型代表之一。李林达尔于1889年发表了《鸟类飞行——航空的基础》一书，提出了飞行器的*初的机翼构型理论——弓形截面增大升力。在1891-1896年期间，他在桕林附近的试飞场地进行了2000次以上的滑翔飞行试验，并把滑翔的经验与翼型升阻性能数据编写成书：《飞翔中的实际试验》。1896年8月9日清晨，在试验一个新操纵技术时发生失速，李林达尔摔断脊椎，在送往医院的途中，他对泪流满面的弟弟说的*后一句话是：“牺牲是必需的”，体现了他献身科学的奉献精神。
李林达尔的飞行故事激励了若干工程师和飞行践行者，他们前仆后继，延续人类飞行的梦想，莱特（Wright）兄弟（图1.6）就是其中的典型代表。他们吸取了李林达尔的教训，首先对后者的翼型升阻性能数据进行风洞试验修正，并进行了一千多次滑翔飞行试验考核，提高了机翼的展弦比，从而提高了机翼效率，设计出了较大升力的机翼截面形状。1903年12月17日清晨，天气阴冷，寒风刺骨，在美国北卡罗来纳州的基蒂霍克的一块空地上，莱特兄弟使用他们制造的“飞行者1号”进行第一次试飞。上午11时左右，发动机经过暖机后，通过掷币赢得首飞权的弟弟奥维尔 莱特在飞机上俯伏就位，然后哥哥帮助启动发动机，飞机开始向前滑动，“飞行者1号”终于晃晃悠悠地升空了，实现了人类首次带动力飞行。飞机的留空时间为12s，飞行距离为37m，高度为3m，飞行速度为45km/h。这是人类历史上的第一架真正意义上的飞机，其具有以下四大特征：完全受控、依靠自身动力、机身比空气密度大、持续滞空，这是历史上*伟大的发明之一。莱特兄弟首创的飞行控制系统为飞机的实用化奠定了基础。
1.2气体动力学发展史
在这一历史背景下，与气体动力学息息相关的具体工程问题或学科问题包括气象学、螺旋桨飞机、蒸汽机、爆炸技术，促进了量热完全气体动力学的理论发展。按照时间顺序，具有里程碑的理论与技术如下所述。
1870年，苏格兰工程师、物理学家烕廉 约翰 麦夸恩 兰金（Rankine）与法国工程师、物理学家皮埃尔.昂利.于戈尼奥（Hugoniot）分别独立推导了量热完全气体可压缩流动满足欧拉方程的定常激波关系，确定了可压缩流动中的*重要流动现象-激波间断结构的理论解，称为兰金-于戈尼奥（Rankine-Hugoniot）激波关系。
1882-1888年，瑞典发明家拉瓦尔（GustafdeLaval）为了提高蒸汽机的效率，发明了拉瓦尔喷管（de Laval nozzle，亦称渐缩渐阔喷管（convergent-divergent nozzle）），其通过热能转化为动能，将蒸汽加速到超声速。后来，拉瓦尔喷管被广泛用作蒸汽涡轮机及火箭发动的机喷管、超声速喷气发动机的喷管，以及超声速和高超声速风洞。
1887年，奥地利-捷克物理学家恩斯特.马赫（Ernst Mach）推导了马赫角关系，并提出了激波反射理论，发现定常激波反射包括规则反射（regular reflection，RR）和马赫反射（Mach reflection，MR）两种类型。
1896年，英国物理学家约翰 烕廉 斯特拉特（John William Strutt，后被尊称瑞利男爵三世，Third Baron Rayleigh），发表了《声学理论》(Theory of Sound）o瑞利是一个学术天才，研究几乎涉及物理学的各个方面，如光学和振动系统的数学、声学、波的理论、彩色视觉、电动力学、电磁学、光的散射、流体动力学、气体的密度、黏滞性、毛细作用、弹性和照相术。
1904年，德国物理学家路德维希 普朗特（Ludwig Prandtl）提出了著名的边界层理论及其求解方法，另外，他在风洞实验技术、机翼理论、湍流理论等方面都做出了重要的贡献，是近代力学的奠基人之一，是力学领域哥廷根学派的代表人物。我国的空气动力学专业的主要奠基者之一陆世嘉就师从于普朗特。
1908年，普朗特和迈耶（Meyer）分别开展拉瓦尔喷管流动实验，并提出了斜激波理论和膨胀波理论。
1910-1920年，普朗特提出了机翼升力线理论（lifting-line theory），处理有限翼展流动的三维效应。
1915-1932年，英国力学家泰勒（Geoffrey Ingram Taylor）提出了大气瑞流和湍流扩散理论，是力学领域剑桥学派的创始人。
1928年，德国力学家布斯曼（AdolfBusemann）提出了圆锥激波的图解法。1933年，泰勒得到了圆锥激波的数值解。
1934年，杜兰（William FrederickDurand）发表《空气动力学理论》（Aero-dynamic Theory），成为气体动力学第一发展阶段的总结。
1.2.3高速航空时代与气体动力学的大发展（1935—1950）
气体动力学的这一发展阶段起始于一次学术会议。1935年，在罗马举行的一次学术会议上，来自欧美的科学家召开了一个小分会，会议的议题是“航空中的高速问题：可压缩效应”，参会人员包括普朗特、布斯曼、冯卡门（vonKarman）、阿克雷特（Jakob Ackeret，瑞士人）、泰勒等。
在这个会议上，提出了诸多关于高速飞行的新观点，与会顶尖学者之间碰撞出了许多火花。布斯曼提出了高速飞行的后掠翼理论，另一个例子是美国国家航空航天局（NASA）兰利（Langley）研究中心的雅各布（Eastman Jacobs）发表的试验研究成果，发现在高亚声速条件下，美国国家航空咨询委员会（NACA）翼型上出现了激波结构这一强烈的可压缩效应现象。虽然这些新观点和新发现后来成为高速飞行气动设计的重要理论基础之一，但在当时并没有得到与会学者的认可和重视。可以想象，在当时高速气体动力学正经历日新月异的发展，连当时*顶尖的气体动力学家都来不及理解和接受。
这一时期，*重要的气体动力学问题就是“声障”（sonic/sound barrier），而在工程上的难题就是跨过声速，实现超声速飞行。所谓声障是指飞行器速度接近声速时阻力迅速增加的现象，如图1.7所示。这一现象的根本原因就是雅各布通过试验发现的强可压缩效应——翼型激波[1]，如图1.8所示。翼型的截面变化形成了一个渐缩-渐扩通道，在接近声速飞行时，空气流动从亚声速加速到超声速，空气流动可压缩性增强，出现激波这一间断结构，增加了气动阻力。相关气体动力学知识将在后续章节的变截面流动和跨声速流动中介绍。
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