緒論及基礎(chǔ)知識(shí)課件

第一章緒論及基本概念、知識(shí)空氣動(dòng)力學(xué)授課教師：

10學(xué)時(shí)1教材：空氣與氣體動(dòng)力學(xué)引論李鳳蔚1.第一章p1~9，p20~22；

2.第二章p25~36，p39~40；

3.第六章p156~161；

4.第十四章p344~354。2空氣與氣體動(dòng)力學(xué)的任務(wù)、研究方法及發(fā)展無(wú)黏流動(dòng)液體流體力學(xué)流體靜力學(xué)流體動(dòng)力學(xué)氣體水力學(xué)

理論流體動(dòng)力學(xué)

潤(rùn)滑理論黏性流動(dòng)變化小變化大不可壓縮低速空氣動(dòng)力學(xué)高度或低壓影響高速影響動(dòng)力氣象學(xué)

稀薄氣體動(dòng)力學(xué)氣體動(dòng)力學(xué)

亞/跨/超聲速空氣動(dòng)力學(xué)

高超聲速空氣動(dòng)力學(xué)

電磁流體動(dòng)力學(xué)3飛行器氣動(dòng)部件及其空氣動(dòng)力學(xué)機(jī)理翼梢小翼下洗速度誘導(dǎo)阻力有效迎角下洗角翼尖尾渦升力當(dāng)?shù)厣Φ刃?lái)流來(lái)流實(shí)際升力尾渦翼梢小翼阻擋氣流上卷削弱尾渦

下洗速度

誘導(dǎo)阻力內(nèi)向側(cè)力升力推力內(nèi)向側(cè)力升力

推力5后掠機(jī)翼平直機(jī)翼是產(chǎn)生升力/激波的有效速度后掠翼可提高產(chǎn)生激波的Macr邊條渦邊條翼：下表面壓力>上表面壓力氣流旋轉(zhuǎn)邊條渦渦旋轉(zhuǎn)渦心P低而V高

流經(jīng)部位壓力低渦升力注入機(jī)翼表面氣流能量推遲分離激波激波阻力6發(fā)動(dòng)機(jī)氣體動(dòng)力學(xué)高速氣體（空氣或燃?xì)猓┰趬嚎s性呈顯著作用時(shí)的流動(dòng)規(guī)律及其與物體之間的相互作用；

氣體在物體內(nèi)部（如發(fā)動(dòng)機(jī)）的運(yùn)動(dòng)規(guī)律；航空發(fā)動(dòng)機(jī)主要部件及其作用壓氣機(jī)/風(fēng)扇：氣體增壓燃燒室：氣體加熱渦輪：氣體膨脹7沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)亞燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)3<Ma<6進(jìn)氣道及擴(kuò)壓段

斜激波及正激波拉伐爾噴管氣流增壓至亞音速燃燒室

燃燒氣流超音速噴出推力超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道/斜激波氣流增壓且超音速隔離段

附面層誘導(dǎo)激波串氣流繼續(xù)增壓擴(kuò)張噴管燃燒室/燃燒氣流超音速噴出推力9航天空氣動(dòng)力學(xué)熱障及黑障可壓縮性激波黏性摩擦力壓縮增溫摩擦生熱氣流帶走

加熱飛行器表面化學(xué)反應(yīng)空氣電離等離子鞘套等離子體振蕩頻率無(wú)線電截止頻率無(wú)線電信號(hào)屏蔽F16戰(zhàn)斗機(jī)Ma=2溫度120℃鋁合金黑鳥SR-17偵察機(jī)Ma=3溫度370℃93%鈦合金航天飛機(jī)Ma=36溫度11000K硅瓷片防護(hù)瓦、燒蝕材料熱障結(jié)構(gòu)強(qiáng)度

剛度動(dòng)能熱能熱輻射

熱傳導(dǎo)氣動(dòng)熱力學(xué)常溫常壓O2占20%N2占80%完全氣體2000K<T<4000KO22O4000K<T<9000KN22N9000K<T原子電離OO++e-

NN++e-O,N,陽(yáng)離子O+,N+和自由電子的等離子體黑障氣動(dòng)熱化學(xué)分子密度低

電離弱80km<黑障區(qū)<54.8km大氣稠密減速至一定程度

溫度低電離弱10空氣/氣體動(dòng)力學(xué)的其他應(yīng)用鳥類/昆蟲飛行及撲翼機(jī)撲動(dòng)速度均勻來(lái)流合速度合力升力推力機(jī)動(dòng)性強(qiáng)舉升/推進(jìn)/懸停/快速變向等動(dòng)作集于一個(gè)撲翼系統(tǒng)大升力利用非定常機(jī)制，其升力遠(yuǎn)高于常規(guī)飛行器，能夠在低雷諾數(shù)條件下飛行。11森林空氣動(dòng)力學(xué)樹木風(fēng)阻∝風(fēng)速：種植方式避免風(fēng)害風(fēng)阻樹冠/樹葉：樹葉在高速風(fēng)中結(jié)構(gòu)變形種子傳播：繁衍規(guī)律、仿生力學(xué)建筑物空氣動(dòng)力學(xué)車輛空氣動(dòng)力學(xué)高/矮建筑物間渦流：風(fēng)速大于普通布局的3-4倍建筑物迎背風(fēng)面：背風(fēng)面低壓吸力效應(yīng)斜屋頂：傾斜角較小吸力效應(yīng)屋頂掀翻空氣阻力車型迎風(fēng)阻力

拖曳渦渦阻

表面摩擦阻力

外部零件干擾阻力

內(nèi)部氣流阻力占62%占9%占17%占12%空氣阻力下降10%油耗降低5%13體育中的空氣動(dòng)力學(xué)香蕉球弧圈球旋轉(zhuǎn)球黏性上表面流體流速高低壓下表面流體流速低高壓順時(shí)針旋轉(zhuǎn)圓柱側(cè)向力馬格努斯力不對(duì)稱分離側(cè)向力14研究方法實(shí)驗(yàn)研究空氣動(dòng)力學(xué)基本理論風(fēng)洞/水洞/其他實(shí)驗(yàn)臺(tái)架模型實(shí)物基礎(chǔ)性應(yīng)用性開拓性結(jié)果真實(shí)/可靠//豐富為理論分析/數(shù)值計(jì)算提供依據(jù)尺寸/邊界/測(cè)試儀器及方法限制耗時(shí)/耗力/耗經(jīng)費(fèi)15數(shù)值研究

數(shù)值仿真

CFD計(jì)算計(jì)算機(jī)數(shù)學(xué)模型數(shù)值離散方法流體力學(xué)問(wèn)題數(shù)值實(shí)驗(yàn)數(shù)值模擬/分析數(shù)學(xué)模型較準(zhǔn)確如N-S方程較準(zhǔn)確流動(dòng)圖譜及細(xì)節(jié)/耗時(shí)少/耗費(fèi)省/便于優(yōu)化設(shè)計(jì)及對(duì)比模擬重復(fù)性好/條件易控制機(jī)理不清楚的流動(dòng)如空化/湍流/相變數(shù)學(xué)模型不準(zhǔn)數(shù)值模擬可靠性、準(zhǔn)確性差非線性偏微粉方程數(shù)值離散方法數(shù)學(xué)理論尚未完備計(jì)算穩(wěn)定性/收斂性/誤差分析不足受限于計(jì)算機(jī)運(yùn)行速度、容量的發(fā)展微分方程的有限差分離散及網(wǎng)格

離散介質(zhì)模型

離散自變量函數(shù)

有限差分方程組連續(xù)介質(zhì)模型

連續(xù)自變量函數(shù)

微分方程組空間區(qū)域

有限離散點(diǎn)集合自變量連續(xù)變化區(qū)域差分網(wǎng)格tn-1tntn+1xj-1xjxj+1xj,tn一階雙曲型線性微分方程tx差分方程17建筑物流場(chǎng)鈍頭體噪聲飛機(jī)18發(fā)展概述18世紀(jì)：流體力學(xué)創(chuàng)建階段伯努利伯努利方程不可壓無(wú)黏定常流動(dòng)壓強(qiáng)、高度及速度關(guān)系歐拉歐拉方程理想流體運(yùn)動(dòng)方程組連續(xù)介質(zhì)假設(shè)達(dá)朗貝爾達(dá)朗貝爾疑題忽略黏性則任意封閉性狀物體阻力為零質(zhì)量守恒方程牛頓牛頓流模型均勻分布/彼此無(wú)關(guān)的運(yùn)動(dòng)質(zhì)點(diǎn)流體介質(zhì)與物面碰撞切向動(dòng)量不變法向動(dòng)量作用力高超聲速流動(dòng)物面壓力系數(shù)19世紀(jì)：流體力學(xué)全面發(fā)展階段拉普拉斯拉普拉斯方程線性方程數(shù)學(xué)求解方法成熟已知邊界條件求解黏性流體力學(xué)

空氣-氣體動(dòng)力學(xué)

1920世紀(jì)：空氣-氣體動(dòng)力學(xué)完整體系創(chuàng)建萊特兄弟

第一架有動(dòng)力飛行的載人飛行器“飛行者”I號(hào)普朗特

邊界層理論近物面薄邊界層內(nèi)考慮黏性遠(yuǎn)離物面區(qū)做無(wú)黏處理儒科夫斯基

環(huán)量概念升力公式奠定二維機(jī)翼升力理論基礎(chǔ)一戰(zhàn)~20世紀(jì)30年代

低速空氣動(dòng)力學(xué)普朗特耶：大展弦比升力線理論

戈泰特：亞音速三維機(jī)翼相似法則

馮卡門、錢學(xué)森：更準(zhǔn)確的亞音速相似律二戰(zhàn)~戰(zhàn)后

超音速空氣動(dòng)力學(xué)噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)亞音高亞音超音音障可壓縮性激波/膨脹波/氣動(dòng)熱問(wèn)題跨音速空氣動(dòng)力學(xué)20世紀(jì)50-60年代

火箭技術(shù)Ma>5高超音速空氣動(dòng)力學(xué)衛(wèi)星/航天飛機(jī)稀薄空氣動(dòng)力學(xué)飛行器返回氣動(dòng)熱化學(xué)動(dòng)力學(xué)/電磁流體力學(xué)內(nèi)流氣體動(dòng)力學(xué)壓氣機(jī)/渦輪繞葉片流動(dòng)燃燒室燃燒問(wèn)題2120世紀(jì)60年代

高性能計(jì)算機(jī)現(xiàn)代計(jì)算技術(shù)空氣-氣體動(dòng)力學(xué)理論實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證計(jì)算流體力學(xué)/CFD部件/全機(jī)復(fù)雜流場(chǎng)計(jì)算精度/可靠性周期短/省經(jīng)費(fèi)20世紀(jì)以來(lái)

實(shí)驗(yàn)技術(shù)發(fā)展PIVHWA數(shù)據(jù)采集/處理系統(tǒng)PIV/激光測(cè)速儀HWA/熱線風(fēng)速儀壓力/溫度敏感漆……詳細(xì)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)/圖譜復(fù)雜流動(dòng)機(jī)理認(rèn)識(shí)準(zhǔn)確實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)22連續(xù)介質(zhì)流空氣-氣體動(dòng)力學(xué)低密度與自由分子流亞音速流無(wú)黏流動(dòng)黏性流動(dòng)不可壓縮流可壓縮流跨音速流超音速流高超音速流空氣-氣體動(dòng)力學(xué)所涉及的流動(dòng)類型23連續(xù)流區(qū)：<70km標(biāo)準(zhǔn)海平面1cm3含2.71019個(gè)分子

分子平均自由行程10-8mm滑移流區(qū)：70-100km30km1cm3含41017個(gè)分子自由分子流區(qū)：>130km1cm3含1013個(gè)分子

分子平均自由行程0.3m130km稀薄空氣動(dòng)力學(xué)連續(xù)介質(zhì)空氣動(dòng)力學(xué)角度的大氣結(jié)構(gòu)過(guò)渡流區(qū)：100-130km一點(diǎn)密度壓縮膨脹一點(diǎn)速度某時(shí)刻空間某固定點(diǎn)B的速度=該時(shí)刻通過(guò)B點(diǎn)的流體質(zhì)點(diǎn)的速度連續(xù)介質(zhì)空間

流場(chǎng)流體質(zhì)點(diǎn)yx流場(chǎng)中某空間點(diǎn)物理量=

占據(jù)該點(diǎn)流體質(zhì)點(diǎn)具有的物理量運(yùn)動(dòng)/靜止同一空間點(diǎn)

不同時(shí)刻不同流體質(zhì)點(diǎn)占據(jù)

具有不同物理量yx25可壓縮性波義耳實(shí)驗(yàn)氣體壓力從p增加p+p體積或比容v/單位質(zhì)量氣體占有的容積壓力改變量

比容相對(duì)變化量壓縮性流體音速大小

壓力變化幅度考慮壓縮性？體積彈性模量比值流體的可壓縮性系數(shù)空氣一個(gè)大氣壓下=10-5m2/N水一個(gè)大氣壓下=510-10m2/N高速/高M(jìn)a數(shù)運(yùn)動(dòng)氣體必須考慮可壓縮性傳熱性

yT(y+y)xyT(y)Qyy熱傳導(dǎo)：分子熱運(yùn)動(dòng)熱能輸運(yùn)

熱輻射：電磁波輻射

熱對(duì)流：流體宏觀運(yùn)動(dòng)熱遷移靜止/運(yùn)動(dòng)流體運(yùn)動(dòng)流體溫度分布不均勻傅立葉定律：?jiǎn)挝幻娣e熱流量與溫度梯度成比例熱量傳遞方向與溫度梯度方向相反

-導(dǎo)熱系數(shù)W/(m.K)三維空間溫度不均勻分布

熱傳導(dǎo)性為各向同性高溫區(qū)低溫區(qū)熱能分子熱運(yùn)動(dòng)熱輻射

熱傳導(dǎo)高超音速載人飛船“阿波羅”再入大氣qr/qc0.3不可忽略熱輻射

空間探測(cè)器“丘比特”再入大氣q=qr忽略可熱傳導(dǎo)26完全氣體及其熱力學(xué)參數(shù)、熱力學(xué)定律分子為彈性質(zhì)點(diǎn)

分子不占有體積

分子間無(wú)作用力完全氣體狀態(tài)方程

克拉貝隆方程R-氣體常數(shù)

空氣R=287.06J/kg.K狀態(tài)參數(shù)：標(biāo)志熱力系內(nèi)工質(zhì)所處狀態(tài)的宏觀物理量基本狀態(tài)參數(shù)均勻熱力系內(nèi)兩個(gè)獨(dú)立狀態(tài)參數(shù)其他狀態(tài)參數(shù)

過(guò)程參數(shù)其他狀態(tài)參數(shù)與過(guò)程有關(guān)的熱力學(xué)參數(shù)大量微觀粒子具有的能量?jī)?nèi)能u不包括熱力系宏觀運(yùn)動(dòng)動(dòng)能和外界作用的能量分子動(dòng)能分子移動(dòng)/轉(zhuǎn)動(dòng)/內(nèi)部原子振動(dòng)T的函數(shù)

分子位能分子間相互作用具有的能量

v或的函數(shù)

構(gòu)成分子的化學(xué)能和構(gòu)成原子的原子能組成熱力系工質(zhì)流動(dòng)過(guò)程中攜帶的總能量即內(nèi)能與推動(dòng)功之和焓h熱力學(xué)第一定律外界傳給封閉物質(zhì)系統(tǒng)的熱量=系統(tǒng)內(nèi)能增量+系統(tǒng)對(duì)外界做機(jī)械功定容比熱定壓比熱熱完全氣體29Cv與Cp關(guān)系比熱比Cv、Cp、k為常數(shù)量熱完全氣體真實(shí)氣體效應(yīng)T<600K氧分子O2

氮分子N2平動(dòng)+轉(zhuǎn)動(dòng)單位質(zhì)量空氣600K<T<2500K氧分子O2

氮分子N2平動(dòng)+轉(zhuǎn)動(dòng)+振動(dòng)振動(dòng)動(dòng)能k2500K<T<9000K氧分子O2

氮分子N2離解如9000K<T氧分子O2

氮分子N2電離T>2500K多組分/變成分/有化學(xué)反應(yīng)混合氣體30熵s熱力系在可逆過(guò)程中從外界傳入的熱量與當(dāng)時(shí)絕對(duì)溫度之商等熵關(guān)系式熱力學(xué)第二定律/熵增原理絕熱變化的孤立系統(tǒng)中若過(guò)程可逆s=0

若過(guò)程不可逆s>031流體中運(yùn)動(dòng)物體所受的力升阻力及力矩氣動(dòng)力：空氣施加在物面上作用力垂直指向物面表面壓力p

切于物面且與氣流方向相同切應(yīng)力/摩擦力合力垂直來(lái)流升力L平行來(lái)流阻力D

垂直弦線法向力N平行弦線軸向力A迎角弦線來(lái)流自由來(lái)流動(dòng)壓參考面積S

參考長(zhǎng)度l二維升力系數(shù)阻力系數(shù)力矩系數(shù)壓強(qiáng)系數(shù)摩擦系數(shù)32空氣與氣體動(dòng)力學(xué)所需的部分?jǐn)?shù)學(xué)知識(shí)坐標(biāo)系笛卡爾坐標(biāo)系ZXYOBC空間矢量微增量rXYOr=constr+dr=const=const+d=constd空間矢量圓柱坐標(biāo)系Z33標(biāo)量場(chǎng)的梯度PP1Q=const+d=const方向?yàn)樽兓首畲蠓较?/p>

大小為這個(gè)最大變化率數(shù)值

標(biāo)量場(chǎng)不均勻性的量度哈密頓算子及其在直角坐標(biāo)系下形式具有微分和向量雙重性質(zhì)

進(jìn)行向量計(jì)算并對(duì)其右邊量微分=const等勢(shì)面上取任意相鄰P1點(diǎn)等勢(shì)面=const單位法向量為方向單位向量dn為等勢(shì)面=const和+d=const間最小距離在R向的直接微分=在該方向的投影哈密頓算子在圓柱坐標(biāo)系下形式34矢量場(chǎng)的梯度張量及其分解速度梯度張量=變形率張量（對(duì)稱）+旋轉(zhuǎn)張量（反對(duì)稱）與流體微團(tuán)變形有關(guān)與流體微團(tuán)旋轉(zhuǎn)有關(guān)35矢量場(chǎng)的散度向量中包圍M點(diǎn)作微小體積且其表面為s速度散度ds流體微團(tuán)邊界為s，以運(yùn)動(dòng)的邊界元法向單位向量為，則流體微團(tuán)體積相對(duì)變化率=流體速度散度ds矢量場(chǎng)的旋度斯托克斯公式矢量場(chǎng)V沿有向閉曲線L的環(huán)量等于矢量場(chǎng)V的旋度場(chǎng)通過(guò)L所張的曲面A的通量36閉域、S上的物理量、一階偏導(dǎo)數(shù)連續(xù)拉普拉斯算子線/面/體積分關(guān)系若S為的封閉曲面且為dS的單位外法線向量37隨體導(dǎo)數(shù)及雷諾輸運(yùn)定理拉格朗日法和歐拉法歐拉法拉格朗日法t1t2時(shí)間段內(nèi)從某時(shí)刻始跟蹤每一流體質(zhì)點(diǎn)

描述其流動(dòng)參數(shù)變化t1時(shí)刻描述某時(shí)刻流場(chǎng)中占據(jù)不同空間幾何位置的流體質(zhì)點(diǎn)具有的流動(dòng)參數(shù)分布體系和控制體體系t1時(shí)刻t2時(shí)刻確定不變的流體質(zhì)點(diǎn)集合

邊界隨流體運(yùn)動(dòng)且變化邊界環(huán)境體系力/能量質(zhì)量t1時(shí)刻t2時(shí)刻邊界環(huán)境體系力/能量/質(zhì)量相對(duì)空間坐標(biāo)系固定不變的體積

流體質(zhì)點(diǎn)隨時(shí)間流入/流出該空間控制體