《北航空氣動(dòng)力學(xué)》課件

《北航空氣動(dòng)力學(xué)》課程介紹本課程旨在介紹空氣動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)，包括空氣動(dòng)力學(xué)基本概念、空氣動(dòng)力學(xué)方程、流體動(dòng)力學(xué)、氣動(dòng)熱力學(xué)等內(nèi)容。通過(guò)本課程學(xué)習(xí)，學(xué)生將掌握流體動(dòng)力學(xué)基本理論，并能夠運(yùn)用這些知識(shí)分析和解決實(shí)際工程問(wèn)題。課程內(nèi)容概述空氣動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)流體力學(xué)基本定律，流體靜力學(xué)，流體動(dòng)力學(xué)，無(wú)粘流動(dòng)，粘性流動(dòng)等基礎(chǔ)知識(shí)飛行器氣動(dòng)設(shè)計(jì)翼型設(shè)計(jì)理論，機(jī)翼氣動(dòng)特性，機(jī)身氣動(dòng)特性，尾翼氣動(dòng)特性，飛機(jī)總體氣動(dòng)設(shè)計(jì)等內(nèi)容飛行器氣動(dòng)性能分析升力與阻力，氣動(dòng)參數(shù)的無(wú)量綱表示，氣動(dòng)系數(shù)的預(yù)測(cè)和測(cè)量，氣動(dòng)縮比模型試驗(yàn)，數(shù)值模擬在氣動(dòng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用等內(nèi)容飛行器氣動(dòng)布局設(shè)計(jì)噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)原理，飛行器姿態(tài)穩(wěn)定與控制，飛行器氣動(dòng)布局設(shè)計(jì)，未來(lái)航空發(fā)展趨勢(shì)等內(nèi)容空氣動(dòng)力學(xué)基本概念空氣動(dòng)力學(xué)研究物體在空氣中運(yùn)動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的力和運(yùn)動(dòng)規(guī)律，以及如何利用這些力來(lái)實(shí)現(xiàn)飛行。氣流空氣作為一種流體，會(huì)在物體運(yùn)動(dòng)時(shí)繞過(guò)物體流動(dòng)，形成氣流。氣動(dòng)參數(shù)描述物體在空氣中運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的物理量，如速度、壓力、密度等。氣動(dòng)效應(yīng)物體在空氣中運(yùn)動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的力，如升力、阻力、側(cè)力等。流體力學(xué)基本定律1質(zhì)量守恒定律流體在流動(dòng)過(guò)程中質(zhì)量始終保持不變，這是流體力學(xué)中最基本的定律之一。2動(dòng)量守恒定律流體系統(tǒng)的動(dòng)量總和保持不變，反映了流體運(yùn)動(dòng)的慣性特性。3能量守恒定律流體系統(tǒng)的能量總和保持不變，包括動(dòng)能、勢(shì)能和內(nèi)能。4牛頓粘性定律描述了流體內(nèi)部由于流動(dòng)而產(chǎn)生的內(nèi)摩擦力，該定律適用于牛頓流體。流體靜力學(xué)流體靜力學(xué)概述流體靜力學(xué)是研究靜止流體的平衡條件和力學(xué)性質(zhì)。它是在流體力學(xué)基礎(chǔ)上建立的學(xué)科，廣泛應(yīng)用于航空航天、海洋工程等領(lǐng)域?；靖拍盍黧w靜力學(xué)的基本概念包括壓力、密度、浮力等。這些概念是研究靜止流體平衡和力學(xué)性質(zhì)的基礎(chǔ)。流體動(dòng)力學(xué)流體運(yùn)動(dòng)研究流體運(yùn)動(dòng)規(guī)律，包括流體在不同外力作用下的運(yùn)動(dòng)形式和速度變化。壓力分布分析流體內(nèi)部的壓力分布，包括靜壓和動(dòng)壓，以及它們與流體速度之間的關(guān)系。粘性效應(yīng)研究流體內(nèi)部的粘性力對(duì)流體運(yùn)動(dòng)的影響，包括邊界層、摩擦阻力等。能量守恒應(yīng)用能量守恒定律分析流體的能量轉(zhuǎn)換和流動(dòng)過(guò)程，例如伯努利方程。無(wú)粘流動(dòng)理想流體假設(shè)無(wú)粘流動(dòng)基于理想流體假設(shè)，即流體沒(méi)有粘性，內(nèi)部無(wú)摩擦力。流線在無(wú)粘流動(dòng)中，流體粒子沿著流線運(yùn)動(dòng)，流線互不交叉。伯努利定理伯努利定理是無(wú)粘流動(dòng)的基本定律之一，描述了流體速度和壓力的關(guān)系。粘性流動(dòng)粘性流動(dòng)定義流體內(nèi)部存在內(nèi)摩擦力的流動(dòng)稱為粘性流動(dòng)，也稱為實(shí)際流動(dòng)。粘性流動(dòng)中的流體運(yùn)動(dòng)受到粘性的影響，導(dǎo)致能量損失。粘性流動(dòng)特征粘性流動(dòng)是現(xiàn)實(shí)世界中常見(jiàn)的流動(dòng)類(lèi)型，例如飛機(jī)在空氣中的飛行。流體粘性會(huì)導(dǎo)致邊界層形成，邊界層內(nèi)流速梯度很大，摩擦力顯著。邊界層理論流體粘性空氣動(dòng)力學(xué)中，邊界層是流體與固體表面之間發(fā)生的薄層區(qū)域，這里流體流動(dòng)受到粘性的影響。邊界層特性邊界層內(nèi)，流體速度從靠近固體表面處的零逐漸增加到自由流速度。邊界層分離邊界層分離是邊界層與固體表面脫離，形成渦流，對(duì)飛行器氣動(dòng)性能產(chǎn)生負(fù)面影響。層流與湍流層流流體粒子沿平滑的、有規(guī)律的路徑流動(dòng)。層流流體中的流體粒子保持平行的運(yùn)動(dòng)軌跡，不會(huì)互相混合。湍流流體粒子以不規(guī)則、隨機(jī)的方式運(yùn)動(dòng)。湍流流體中的流體粒子相互混合，產(chǎn)生漩渦和湍流。層流與湍流的區(qū)分根據(jù)流體速度、粘度和特征長(zhǎng)度的組合，即雷諾數(shù)，來(lái)區(qū)分層流和湍流?？諝鈩?dòng)力力和力矩的定義1空氣動(dòng)力力的定義空氣動(dòng)力力是指流體作用于物體表面的力，是空氣動(dòng)力學(xué)研究的核心內(nèi)容。2空氣動(dòng)力力的分類(lèi)根據(jù)力的方向可分為升力、阻力、側(cè)力和縱向力等。3空氣動(dòng)力力矩的定義空氣動(dòng)力力矩是指空氣動(dòng)力力對(duì)物體繞某一軸的旋轉(zhuǎn)作用。4空氣動(dòng)力力矩的分類(lèi)根據(jù)力矩方向可分為俯仰力矩、偏航力矩和滾轉(zhuǎn)力矩。升力與阻力升力機(jī)翼產(chǎn)生的垂直于來(lái)流方向的力，使飛機(jī)升空。阻力機(jī)翼產(chǎn)生的平行于來(lái)流方向的力，阻礙飛機(jī)飛行。氣動(dòng)參數(shù)的無(wú)量綱表示參數(shù)無(wú)量綱形式意義速度馬赫數(shù)(Ma)速度與音速之比長(zhǎng)度弦長(zhǎng)(c)翼型或機(jī)翼的參考長(zhǎng)度粘性雷諾數(shù)(Re)慣性力與粘性力之比升力與閥角關(guān)系1升力系數(shù)隨閥角增加而增大2最大升力出現(xiàn)在特定閥角3臨界閥角超過(guò)后升力下降4失速現(xiàn)象升力急劇下降升力與閥角之間存在復(fù)雜的關(guān)系。隨著閥角的增加，升力系數(shù)也會(huì)隨之增大。當(dāng)達(dá)到特定閥角時(shí)，升力達(dá)到最大值。如果繼續(xù)增加閥角，升力系數(shù)會(huì)開(kāi)始下降，甚至出現(xiàn)失速現(xiàn)象，導(dǎo)致升力急劇下降。這一關(guān)系對(duì)飛行器設(shè)計(jì)至關(guān)重要，需要根據(jù)不同的飛行狀態(tài)選擇合適的閥角。阻力與雷諾數(shù)關(guān)系雷諾數(shù)是流體力學(xué)中重要的無(wú)量綱參數(shù)，用于表征流體的慣性力與粘性力之比。1層流雷諾數(shù)較低，流體流動(dòng)平穩(wěn)，阻力較小。2過(guò)渡區(qū)雷諾數(shù)處于臨界狀態(tài)，流動(dòng)不穩(wěn)定，阻力較大。3湍流雷諾數(shù)較高，流體流動(dòng)混亂，阻力最大。雷諾數(shù)會(huì)影響流體的流動(dòng)狀態(tài)，進(jìn)而影響飛行器的阻力。當(dāng)雷諾數(shù)較低時(shí)，流體流動(dòng)處于層流狀態(tài)，阻力較小。隨著雷諾數(shù)的增加，流體流動(dòng)逐漸過(guò)渡到湍流狀態(tài)，阻力隨之增大。氣動(dòng)系數(shù)的預(yù)測(cè)和測(cè)量風(fēng)洞試驗(yàn)在風(fēng)洞中模擬真實(shí)飛行條件，測(cè)量氣動(dòng)系數(shù)。數(shù)值模擬利用計(jì)算機(jī)程序求解氣動(dòng)方程，預(yù)測(cè)氣動(dòng)系數(shù)。翼型設(shè)計(jì)理論翼型形狀翼型形狀對(duì)氣動(dòng)性能至關(guān)重要，包括升力、阻力、俯仰力矩等。翼型設(shè)計(jì)要考慮飛行速度、飛行高度、機(jī)動(dòng)性能等因素。翼型參數(shù)翼型參數(shù)包括弦長(zhǎng)、厚度、彎度、后緣厚度等。不同參數(shù)會(huì)影響翼型的氣動(dòng)特性，需要根據(jù)實(shí)際需求選擇合適的翼型。機(jī)翼的氣動(dòng)特性機(jī)翼是飛行器的重要組成部分，負(fù)責(zé)產(chǎn)生升力和控制飛行姿態(tài)。機(jī)翼設(shè)計(jì)需考慮多種氣動(dòng)特性，包括升力系數(shù)、阻力系數(shù)、升力線斜率、失速特性等。理解機(jī)翼的氣動(dòng)特性對(duì)飛行器設(shè)計(jì)和性能分析至關(guān)重要。機(jī)身氣動(dòng)特性機(jī)身是飛機(jī)的主要承力結(jié)構(gòu)，影響飛機(jī)的阻力、升力以及氣動(dòng)穩(wěn)定性。機(jī)身形狀對(duì)飛機(jī)的飛行性能影響巨大，設(shè)計(jì)師需要根據(jù)不同的飛行任務(wù)和設(shè)計(jì)目標(biāo)，優(yōu)化機(jī)身形狀。常見(jiàn)的機(jī)身形狀包括圓柱形、橢圓形、梭形等，每種形狀都有其優(yōu)缺點(diǎn)。尾翼的氣動(dòng)特性尾翼是飛機(jī)的重要組成部分，用于控制飛機(jī)的俯仰和偏航運(yùn)動(dòng)。尾翼的形狀和位置會(huì)影響飛機(jī)的穩(wěn)定性和操控性。本節(jié)將介紹尾翼的基本概念和氣動(dòng)特性，以及它們?cè)陲w機(jī)設(shè)計(jì)中的重要作用。飛機(jī)總體氣動(dòng)設(shè)計(jì)協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)優(yōu)化各個(gè)部件之間的相互影響，以實(shí)現(xiàn)最佳性能。性能指標(biāo)考慮飛機(jī)的升力、阻力、穩(wěn)定性、操控性等方面的綜合性能指標(biāo)。氣動(dòng)布局根據(jù)飛機(jī)的用途和性能要求，選擇合適的機(jī)翼、機(jī)身、尾翼等布局方式。風(fēng)洞試驗(yàn)通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)驗(yàn)證飛機(jī)的氣動(dòng)特性，并對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化。噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)原理11.工作原理噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)利用燃?xì)馀蛎洰a(chǎn)生推力，推動(dòng)飛機(jī)向前運(yùn)動(dòng)。22.核心部件噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)主要由進(jìn)氣道、壓氣機(jī)、燃燒室、渦輪和噴管組成。33.工作過(guò)程空氣被吸入發(fā)動(dòng)機(jī)，經(jīng)過(guò)壓氣機(jī)壓縮，在燃燒室與燃料混合燃燒，燃?xì)馀蛎浲苿?dòng)渦輪，最終從噴管排出產(chǎn)生推力。44.分類(lèi)噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)可分為渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)、渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)、渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)和火箭發(fā)動(dòng)機(jī)等類(lèi)型。飛行器姿態(tài)穩(wěn)定與控制穩(wěn)定性飛機(jī)在受到外力擾動(dòng)時(shí)，能夠自動(dòng)恢復(fù)到平衡狀態(tài)，保證飛行安全。可控性飛行員可以通過(guò)控制系統(tǒng)，改變飛機(jī)姿態(tài)，完成飛行任務(wù)。穩(wěn)定控制系統(tǒng)包括縱向穩(wěn)定性、橫向穩(wěn)定性、方向穩(wěn)定性，以及控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。姿態(tài)控制通過(guò)舵面、升降舵、副翼等控制系統(tǒng)，調(diào)整飛機(jī)姿態(tài)，實(shí)現(xiàn)飛行目標(biāo)。飛行器氣動(dòng)布局設(shè)計(jì)綜合考慮氣動(dòng)布局設(shè)計(jì)需要綜合考慮飛機(jī)的性能、重量、尺寸、成本等因素，以實(shí)現(xiàn)最佳的飛行性能。氣動(dòng)效率氣動(dòng)布局設(shè)計(jì)需要最大限度地提高飛機(jī)的氣動(dòng)效率，降低阻力，提高升力，減少油耗。穩(wěn)定性氣動(dòng)布局設(shè)計(jì)需要確保飛機(jī)在飛行過(guò)程中的穩(wěn)定性，防止飛機(jī)失控或出現(xiàn)危險(xiǎn)的飛行狀態(tài)?？刂菩詺鈩?dòng)布局設(shè)計(jì)需要確保飛機(jī)能夠有效地控制方向、速度和高度，滿足飛行員的操作需求。氣動(dòng)縮比模型試驗(yàn)1模型制造根據(jù)真實(shí)飛機(jī)比例縮小，制作精確的模型，材料需滿足特定要求。2風(fēng)洞測(cè)試將模型置于風(fēng)洞中，模擬真實(shí)飛行條件，測(cè)量氣動(dòng)參數(shù)。3數(shù)據(jù)分析分析測(cè)試數(shù)據(jù)，推算真實(shí)飛機(jī)氣動(dòng)性能，驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案。4結(jié)果應(yīng)用將測(cè)試結(jié)果應(yīng)用于飛機(jī)設(shè)計(jì)，優(yōu)化性能，提高效率。數(shù)值模擬在氣動(dòng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用效率提升數(shù)值模擬可快速測(cè)試不同設(shè)計(jì)方案，減少風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)次數(shù)，提高設(shè)計(jì)效率。模擬結(jié)果幫助優(yōu)化設(shè)計(jì)，減少原型制作成本。精確性數(shù)值模擬提供更精確的氣動(dòng)特性數(shù)據(jù)，幫助設(shè)計(jì)人員理解氣流行為，優(yōu)化飛機(jī)性能。模擬結(jié)果可用于預(yù)測(cè)飛行器在不同飛行狀態(tài)下的表現(xiàn)，確保安全性。未來(lái)航空發(fā)展趨勢(shì)智能化未來(lái)飛機(jī)將更加智能化，實(shí)現(xiàn)自主飛行和智能控制?？沙掷m(xù)性未來(lái)飛機(jī)將更加注重可持續(xù)性，采用清潔能源和環(huán)保材料。太空探索未來(lái)飛機(jī)將更加注重太空探索，實(shí)現(xiàn)更高速、更長(zhǎng)距離的飛行。高超聲速未來(lái)飛機(jī)將實(shí)現(xiàn)高超聲速飛行，突破傳統(tǒng)飛機(jī)的飛行速度限制。課程總結(jié)與展望理論實(shí)踐結(jié)合課程結(jié)合理論知識(shí)，并通過(guò)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)等實(shí)踐環(huán)節(jié)，加深對(duì)空氣動(dòng)力學(xué)原理的理解。未來(lái)航空發(fā)展展望未來(lái)，航空技術(shù)將繼續(xù)發(fā)展，例如，無(wú)人機(jī)、超音速飛機(jī)、航空航天技術(shù)。知識(shí)儲(chǔ)備學(xué)習(xí)空氣動(dòng)力學(xué)知識(shí)，為未來(lái)的航空航天領(lǐng)域發(fā)展奠定基礎(chǔ)。課程知識(shí)點(diǎn)梳理空氣動(dòng)力學(xué)基本概念定義、基本假設(shè)、流體特性。流體力學(xué)基本定律質(zhì)量守恒定律、動(dòng)量守恒定律、能量守恒定律。無(wú)粘流動(dòng)伯努利方程、拉普拉斯方程、勢(shì)流理論。粘性流動(dòng)邊界層理論、層流與湍流、流動(dòng)阻力?？諝鈩?dòng)力力