第一章 大氣物理學(xué)

1、空氣動力學(xué)教學(xué)安排開課學(xué)期 3 總學(xué)時數(shù) 36學(xué)時適用專業(yè) 飛機維修專業(yè)（ME、AV）首選教材 執(zhí)照教材參考教材 簡明空氣動力學(xué)（內(nèi)部教材）空氣與氣體動力學(xué)引論 李鳳蔚 西北工業(yè)大學(xué)出版社課程大綱說明本課程與其它課程的聯(lián)系前續(xù)課程：l大學(xué)物理主要后續(xù)課程：l發(fā)動機原理、構(gòu)造與系統(tǒng)l飛機結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)l飛機（發(fā)動機）機型課程的性質(zhì)l本專業(yè)一門重要專業(yè)基礎(chǔ)課空氣動力學(xué)基礎(chǔ)（ME、AV）第一章 大氣物理學(xué)第二章 空氣動力學(xué)第三章 飛行理論第四章 飛機的穩(wěn)定性和操縱性第一章 大氣物理學(xué)1.1 大氣的重要物理參數(shù)1.2 大氣層的構(gòu)造1.3 國際標準大氣（ISA）1.4 氣象對飛行活動的影響1.5 大氣狀況對

2、飛機機體腐蝕的影響研究對象和研究方法l研究可壓縮流體;l特別是氣體在流動過程中氣體運動的基本規(guī)律以及氣體與物體之間相互作用的一門科學(xué)。 流體靜力學(xué)流體力學(xué) 可壓縮流體力學(xué) 流體動力學(xué) （氣體動力學(xué)） 不可壓縮流體力學(xué)空氣流經(jīng)飛機機身空氣流過發(fā)動機的進氣道燃氣流過尾噴管空氣流過槳葉力的作用 熱量的交換 機械功的交換飛機加速通過音障燃氣渦輪噴氣發(fā)動機氣輪機質(zhì)量守恒牛頓第二定律熱力學(xué)第一定律熱力學(xué)第二定律研究方法分為：實驗研究、理論研究和數(shù)值研究1.1 大氣的重要物理參數(shù)按體積計算，氮氣78%，氧氣21%密度溫度壓力粘性壓縮性濕度音速1.1 大氣的重要物理參數(shù)大氣密度l單位體積內(nèi)空氣質(zhì)量，l大氣密度

3、隨高度的增加而減小。Vm1.1 大氣的重要物理參數(shù)大氣溫度l溫度高低表明空氣分子不規(guī)則熱運動平均速度的大小。l在11km以下，隨高度的增加氣溫下降，線性變化。攝氏溫度，華氏溫度和絕對溫度攝氏溫度/oC華氏溫度/oF絕對溫度/oK在標準大氣壓下，純水的沸點100212373.15在標準大氣壓下，純水的冰點032273.151.1 大氣的重要物理參數(shù)15.27395)32(ckFcTTTTTc攝氏溫度Tf華氏溫度Tk絕對溫度1.1 大氣的重要物理參數(shù)大氣壓力l大氣層內(nèi)空氣的壓強，即單位面積上承受的空氣的垂直作用力?？諝庵亓諝夥肿拥臒徇\動l度量單位標準大氣壓101325Pal大氣壓隨高度增大而減小

4、。1.1 大氣的重要物理參數(shù)粘性l粘性是流體的固有屬性之一，與物體在介質(zhì)中的運動密切相關(guān)。l流體的粘性：流體微團間發(fā)生相對滑移時產(chǎn)生切向阻力的性質(zhì)。l大氣的粘性主要由于氣體分子不規(guī)則運動造成的。1.1 大氣的重要物理參數(shù)粘性力計算公式：表示橫向速度梯度為1時，在流層單位接觸面積上產(chǎn)生的粘性力。稱為流體的粘度系數(shù)（動力粘度系數(shù)），單位是PaS。SyF)/(1.1 大氣的重要物理參數(shù)不同流體的粘性系數(shù)各不相同，同一流體的粘性系數(shù)也與溫度有關(guān)。l液體的粘性系數(shù)隨溫度的升高而降低l氣體的粘性系數(shù)隨溫度的升高而增大實際流體都是有粘性的，沒有粘性的流體稱為理想流體。牛頓內(nèi)摩擦定律l流體間摩擦的原因是分子間

5、的內(nèi)聚力、分子和壁面的附著力及分子不規(guī)則的熱運動。l液體：分子間的內(nèi)聚力對粘滯性的影響居主導(dǎo)地位，溫度升高，分子間距增大，內(nèi)聚力顯著下降，而液體分子動量交換的增加又不足以補償，故其粘性系數(shù)下降。l氣體：分子熱運動對粘滯性的影響居主導(dǎo)地位，當溫度增加時，分子熱運動更為頻繁，故氣體粘性系數(shù)隨溫度而增加。 1.1 大氣的重要物理參數(shù)液體氣體粘度系數(shù)隨溫度變化情況溫度升高，氣體粘度系數(shù)增大。溫度升高，液體粘度系數(shù)減小。1.1 大氣的重要物理參數(shù)可壓縮性l流體在壓強或溫度改變時，能改變其原來體積及密度的特性。l流體的可壓縮性用單位壓強所引起的體積變化率表示。即在相同壓力變化量的作用下，密度（或體積）的變

6、化量越大的物質(zhì)，可壓縮性就越大。l空氣的可壓縮性如何體現(xiàn)？在低速飛行時忽略空氣可壓縮性的影響（Ma0.4）P可壓縮性1.1 大氣的重要物理參數(shù)濕度l大氣的潮濕程度，通常用相對濕度來表示。相對濕度指大氣中所含水蒸汽的量與同溫度下大氣能含有的水蒸汽最大量之比。l溫度越高大氣所能含有的水蒸汽最大量越大。露點溫度：使大氣的相對濕度達到100%時的溫度。l含有水蒸汽的空氣比干空氣密度小。1.1 大氣的重要物理參數(shù)音速l音速是小擾動在介質(zhì)中的傳播速度（米/秒）。物體的振動在介質(zhì)中引起的小擾動會以介質(zhì)不斷被壓縮、膨脹的形式向四周傳播，形成介質(zhì)疏密交替變化的小擾動波。1.1 大氣的重要物理參數(shù)空氣中的音速計算

7、公式：l為氣體常數(shù)，287J/Kg.K1/2pa20.1,()arRTTT為絕對溫度1.2 大氣層的構(gòu)造地球大氣層 l對流層(變溫層) l平流層(同溫層) l中間層 l電離層(熱層) l散逸層 民用運輸機的飛行范圍民用運輸機的飛行范圍對流層(變溫層)的特點l對流層的平均高度在地球中緯度地區(qū)約11公里，在赤道約17公里，在兩極約8公里。l在對流層內(nèi)幾乎包含了全部大氣質(zhì)量的四分之三。大氣中含有大量的水蒸氣及其它微粒，所以云、雨、雪、雹及暴風(fēng)等氣象變化也僅僅產(chǎn)生在對流層中。l對流層內(nèi)不僅有空氣的水平流動，還有垂直流動，形成水平方向和垂直方向的突風(fēng)。l對流層內(nèi)的空氣溫度、密度和氣壓隨著高度的增加而下降

8、。011km平流層(同溫層)的特點l從對流層頂起到離地面約50公里之間稱為平流層。該層下半部（大約20km以下）的空氣溫度幾乎不變，在同一緯度處可以近似看作常數(shù)，常年平均值為攝氏零下56.5度，所以又稱為同溫層。l同溫層之上隨著高度的增加，溫度逐步升高，直到頂部溫度升高到00C左右。l在平流層中，空氣只有水平方向的流動。空氣稀薄，幾乎沒有水蒸汽，故沒有雷雨等現(xiàn)象，故得名為平流層?？諝赓|(zhì)量占整個大氣的四分之一不到。l大氣能見度好，氣流平穩(wěn)，空氣阻力小，對飛行有利?，F(xiàn)代噴氣式客機多在11-12km的平流層底層（巡航）飛行。11km11km20km20km水平風(fēng)水平風(fēng)水平風(fēng)水平風(fēng)零度零度同溫層同溫層

9、中間層、電離層的特點l中間層的特點中間層從離地面50公里到80公里為止?？諝馐窒”?，溫度隨高度增加而下降?？諝庠诖怪狈较蛴袕娏业倪\動。 l電離層(熱層)的特點中間層以上到離地面800公里左右就是電離層。空氣處于高度的電離狀態(tài)，帶有很強的導(dǎo)電性，能吸收、反射和折射無線電波。空氣溫度很高，并隨著高度的增加而上升，所以又稱為熱層?？諝饷芏葮O小，聲音已無法傳播。l散逸層大氣層的最外層；地心引力小，大氣分子散逸于太空中。1.3 國際標準大氣（ISA）l國際標準大氣是由國際民航組織（ICAO）制定的，它是以北半球中緯度地區(qū)大氣物理性質(zhì)的平均值為依據(jù)，加以適當?shù)男拚⒌摹國際標準大氣具有以下的規(guī)定：大

10、氣是靜止的、相對濕度為零的，潔凈的完全氣體，即服從狀態(tài)方程。以海平面作為高度計算的起點，即H=0，并且在該處l大氣溫度288.15K，或15l大氣壓強1.01325105 帕l大氣密度1.225千克/米3l聲速340.29m/sRTp國際標準大氣表H(千米)T T()a(米/秒)p10-4(牛頓/米2)(千克/米3)105(千克/米秒) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9101112131415161718182030456075 15.0 8.5 2.0 -4.5-11.0-17.5-24.0-30.5-37.0-43.5-50.0-56.5-56.5-56.5-56.5-56.5-56

11、.5-56.5-56.5-56.5-56.5-56.5 40.0 70.0-10.034033633232932532031631230830429929529529529529529529529529529529535537232510.132 8.987 7.948 7.010 6.163 5.400 4.717 4.104 3.558 3.073 2.642 2.261 1.932 1.650 1.409 1.203 1.027 0.785 0.749 0.640 0.546 0.117 0.017 0.0030.00061.2261.1121.0070.9090.8200.7370.6

12、600.5890.5260.4670.4130.3640.3110.2650.2270.1940.1630.1410.1210.1030.0880.0190.0023.910-48.010-51.7801.7491.7171.6841.6521.6191.5861.5521.5171.4821.4471.4181.4181.4181.4181.4181.4181.4181.4181.4181.4181.4181.9122.0471.667國際標準大氣的應(yīng)用設(shè)計飛機時應(yīng)該按此標準計算飛機的飛行性能，飛機試飛結(jié)果也應(yīng)該換算成標準大氣條件下的結(jié)果，以便分析和比較。飛機飛行手冊中列出的飛行性能數(shù)據(jù)是在

13、國際標準大氣條件下得出的，要得出實際大氣情況下飛機的飛行性能必須根據(jù)實際大氣情況對性能數(shù)據(jù)進行修正。這種換算的主要工作是要確定實際大氣和國際標準大氣的溫度偏差（ISA偏差）。1.4 氣象對飛行活動的影響陣風(fēng)對飛機飛行的影響l大氣層中空氣短時間強烈對流產(chǎn)生的擾動稱為陣風(fēng)。l陣風(fēng)會隨時改變飛機相對氣流的速度和迎角l水平陣風(fēng)、側(cè)向陣風(fēng)、垂直陣風(fēng)* 水平陣風(fēng)：只改變相對氣流的速度對飛行所影響較小。* 垂直陣風(fēng)：既改變相對氣流的速度又改變飛機的迎角。垂直陣風(fēng)由下向上吹來，速度增加，迎角增大，升力增大，瞬間飛機承受較大載荷，飛機產(chǎn)生向上曲線運動，機頭上仰；陣風(fēng)消失后，飛機恢復(fù)原飛行姿態(tài)；垂直陣風(fēng)由上向下吹

14、來，速度減少，迎角減小，升力減小，瞬間飛機承受較小載荷，甚至向下的載荷，飛機產(chǎn)生向下曲線運動，機頭下俯。顛簸的產(chǎn)生？飛機迎角的改變對飛機升力的影響較大，可能導(dǎo)致:l 1、顛簸l 2、受載過大：高速飛行（小迎角狀態(tài)）遇到垂直向上突風(fēng)時應(yīng)使飛機減速（加大迎角），避免產(chǎn)生過大的氣動載荷。l 3、飛機失速：低速飛行（大迎角狀態(tài)）遇到垂直向上突風(fēng)時應(yīng)使飛機速度提高（減小迎角），避免飛機大迎角失速。側(cè)向陣風(fēng)：從飛機側(cè)向吹來的陣風(fēng)；l引起飛機搖晃、擺頭等，但對飛行影響不大。如果飛機飛行速度很大，垂直陣風(fēng)對飛機飛行速度影響引起的升力變化非常小；飛機穩(wěn)態(tài)飛行，有利迎角為40，在垂直陣風(fēng)速度達到飛機飛行速度的1/

15、10時，引起的迎角增量可達50，引起的氣動升力變化可觀。相同風(fēng)速下，垂直陣風(fēng)對飛機飛行造成的影響比水平陣風(fēng)嚴重。1.4 氣象對飛行活動的影響 穩(wěn)定風(fēng)場的影響：主要影響飛機的起飛和著陸l1、逆風(fēng)起飛和著陸，以減小起飛和著陸速度及滑跑距離。逆風(fēng)起飛，飛機起飛滑跑距離較短即可達到要求的空速，獲取升力，使飛機離地。逆風(fēng)著陸，使飛機保持一定的空速，獲得所需要的升力下，以最小的著地速度著陸，并可增加阻力，減少滑跑距離。l2、側(cè)風(fēng)起飛后應(yīng)進行航向修正。側(cè)風(fēng)著陸前應(yīng)進行側(cè)滑修正側(cè)風(fēng)在飛機起飛或者著陸時，在飛機上產(chǎn)生側(cè)向載荷，帶著飛機漂移，使飛機偏離航道，危機飛行安全。飛機采用改變航向的辦法進行修正。駕駛員操縱

16、副翼和方向舵，組織飛機漂移，使飛機航跡對準跑道。超過一定的側(cè)向風(fēng)速，飛機進行側(cè)滑著陸不能保證安全。3、低空風(fēng)切變對飛行的影響l風(fēng)切變定義：風(fēng)向和風(fēng)速在特定方向上發(fā)生變化飛機由小順風(fēng)區(qū)到大順風(fēng)區(qū)域逆風(fēng)區(qū)到順風(fēng)區(qū)某一方向的順風(fēng)區(qū)到另一方向的順風(fēng)區(qū)較短距離的升降氣流變化等l對正在起飛和著陸過程的飛機的安全性具有嚴重影響，尤其是對正在著陸的的飛機危害最大。1.4 氣象對飛行活動的影響云對飛行的影響 1、影響視線。 2、飛機穿過積雨云可能受到閃電、冰雹的襲擊或遇到強烈風(fēng)切變。 3、飛機穿過零度以下低溫云層時，在飛機表面可能結(jié)冰。1.5 大氣狀況對飛機機體腐蝕的影響大氣濕度：l大氣濕度對金屬在大氣中的腐蝕有著重要的影響。臨界濕度： 在大氣中使金屬的腐蝕速度急劇增大對應(yīng)的大氣的相對濕度。不同金屬有不同的臨界相對濕度。 影響臨界濕度的因素： 機體構(gòu)件的材料性質(zhì);污染物的性質(zhì)和數(shù)量;金屬表面的粗糙、裂紋狀態(tài)等。大氣的溫度和溫差l溫差影響比溫度影響大。溫差影響水分的凝聚，影響氣膜的氣體和鹽類的溶解度。l一般隨溫度的升高，腐蝕加快。1.5 大氣狀況對飛機機