空气动力学精ppt课件

绪论及基本概念、知识,空气动力学,空气与气体动力学的任务、研究方法及发展,无黏流动,液体,流体力学,流体静力学,流体动力学,气体,水力学理论流体动力学润滑理论,黏性流动,变化小,变化大,不可压缩低速空气动力学,高度或低压影响,高速影响,动力气象学稀薄气体动力学,气体动力学亚/跨/超声速空气动力学高超声速空气动力学电磁流体动力学,基本任务：空气、气体的运动规律及其与固体之间相互作用力,航空、航天、汽车/列车、建筑/桥梁、叶轮机械（风机/汽轮机等）、天气预报、船舶、体育运动、,航空飞行器空气动力学,升力储备：爬升、机动飞行气动效率：高升阻比稳定性、操控性表面压力及换热规律：材料、结构,理想不可压流体伯努利方程,空气流过飞行器外部时运动规律,飞行器升力及形成机理,库塔-儒可夫斯基定理,库塔-儒科夫斯基定理,假设,实际,黏性,附面层旋涡/涡量,Stokes定理,翼型非对称附面层内涡量总和即为导致升力的环量,环量从何而来？,凯尔文定理,飞行器气动部件及其空气动力学机理,翼梢小翼,下洗速度,诱导阻力,有效迎角,下洗角,翼尖尾涡,升力,当地升力,等效来流,来流,实际升力,尾涡,翼梢小翼,阻挡气流上卷,削弱尾涡下洗速度诱导阻力,内向侧力,升力,推力,内向侧力,升力推力,后掠机翼,平直机翼,是产生升力/激波的有效速度,后掠翼可提高产生激波的Macr,边条涡,边条翼：下表面压力上表面压力,气流旋转,边条涡,涡旋转,涡心P低而V高流经部位压力低,涡升力,注入机翼表面气流能量推迟分离,激波,激波阻力,发动机气体动力学,高速气体（空气或燃气）在压缩性呈显著作用时的流动规律及其与物体之间的相互作用；气体在物体内部（如发动机）的运动规律；,航空发动机主要部件及其作用,压气机/风扇：气体增压,燃烧室：气体加热,涡轮：气体膨胀,音障/音爆/音爆云,正激波及阻力,弱压缩波,斜激波,音障,楔型体超音速运动,激波及激波阻力,阻力系数消耗3/4功率,活塞发动机高速时螺旋桨效率低、桨尖易产生激波喷气发动机降低波阻的超音速气动布局如后掠翼、面积率蜂腰机身等,音爆,激波面上声学能量高度集中，这些能量让人感受到短暂而极其强烈的爆炸声。,超音速低压气流,局部正激波斜激波,局部亚音气流超音/亚音气流,超音速气流,膨胀加速,压缩减速,尾激波,压缩减速,音爆云,激波后气体急剧膨胀降压降温,潮湿天气,气温低于露点水汽凝结水珠,云雾,冲压发动机,亚燃冲压发动机3Ma6,进气道及扩压段斜激波及正激波,拉伐尔喷管,气流增压至亚音速,燃烧室燃烧,气流超音速喷出,推力,超燃冲压发动机,进气道/斜激波,气流增压且超音速,隔离段附面层诱导激波串,气流继续增压,扩张喷管,燃烧室/燃烧,气流超音速喷出,推力,航天空气动力学,热障及黑障,可压缩性,激波,黏性,摩擦力,压缩增温,摩擦生热,气流带走加热飞行器表面,化学反应,空气电离,等离子鞘套,等离子体振荡频率,无线电截止频率无线电信号屏蔽,F16战斗机Ma=2温度120铝合金黑鸟SR-17侦察机Ma=3温度37093%钛合金航天飞机Ma=36温度11000K硅瓷片防护瓦、烧蚀材料,热障,结构强度刚度,动能热能,热辐射热传导,气动热力学,常温常压O2占20%N2占80%完全气体2000KT4000KO22O4000KT9000KN22N9000KT原子电离OO+e-NN+e-O,N,阳离子O+,N+和自由电子的等离子体,黑障,气动热化学,分子密度低电离弱,80km,黑障区,5,高超音速空气动力学卫星/航天飞机稀薄空气动力学飞行器返回气动热化学动力学/电磁流体力学,内流气体动力学,压气机/涡轮绕叶片流动燃烧室燃烧问题,20世纪60年代,高性能计算机现代计算技术空气-气体动力学理论实验验证,计算流体力学/CFD,部件/全机复杂流场计算精度/可靠性周期短/省经费,20世纪以来,实验技术发展,PIV,HWA,数据采集/处理系统PIV/激光测速仪HWA/热线风速仪压力/温度敏感漆,详细流场结构/图谱复杂流动机理认识准确实验数据,连续介质流,空气-气体动力学,低密度与自由分子流,亚音速流,无黏流动,黏性流动,不可压缩流,可压缩流,跨音速流,超音速流,高超音速流,空气-气体动力学所涉及的流动类型,流体力学基本概念,连续介质,随机热运动离散/有间隙,大量分子实际离散结构,无分子空隙无分子运动连续充满空间,物质空间连续分布假设,微观结构性质,宏观物理量,协调联系,时间空间点,连续可微函数,分子效应范围,连续介质范围,分子平均自由行程：相邻分子碰撞前的平均距离,流体质点,连续介质,研究物体特征尺寸L,y,x,流体质点,体现空间一点的宏观属性,包含分子数多到保证获得稳定的宏观统计属性,L,a,特征体积,含2.71010个空气分子分子平均自由行程10-6cm,某时刻流场某空间点宏观物理量,该时刻占据该空间点流体质点具有的宏观物理量,连续流区：130km,1cm3含1013个分子分子平均自由行程0.3m,130km,稀薄空气动力学,连续介质,空气动力学角度的大气结构,过渡流区：100-130km,一点密度,压缩,膨胀,一点速度,某时刻空间某固定点B的速度=该时刻通过B点的流体质点的速度,连续介质空间流场,流体质点,y,x,流场中某空间点物理量=占据该点流体质点具有的物理量,运动/静止,同一空间点不同时刻,不同流体质点占据具有不同物理量,y,x,可压缩性,波义耳实验,气体压力从p增加p+p体积或比容v/单位质量气体占有的容积,压力改变量比容相对变化量,压缩性流体音速大小压力变化幅度考虑压缩性？,体积弹性模量,比值,流体的可压缩性系数,空气一个大气压下=10-5m2/N,水一个大气压下=510-10m2/N,高速/高Ma数运动气体必须考虑可压缩性,传热性,y,T(y+y),x,y,T(y),Qy,y,热传导：分子热运动热能输运热辐射：电磁波辐射热对流：流体宏观运动热迁移,静止/运动流体,运动流体,温度分布不均匀,傅立叶定律：单位面积热流量与温度梯度成比例,热量传递方向与温度梯度方向相反-导热系数W/(m.K),三维空间温度不均匀分布热传导性为各向同性,高温区,低温区,热能,分子热运动,热辐射热传导,高超音速,载人飞船“阿波罗”再入大气qr/qc0.3不可忽略热辐射空间探测器“丘比特”再入大气q=qr忽略可热传导,黏性,流体中的切应力与垂直流动方向速度梯度成比例,牛顿内摩擦定律,相邻流层气体以不同宏观速度运动,平均速度气体质点宏观速度热运动速度气体分子随机运动速度,分子速度,分子随机运动及碰撞,动量交换,1686年牛顿剪切流动实验,牛顿流体,上层宏观速度大动量下层宏观速度小动量,运动气体相邻各层间分子动量单位时间变化率=剪应力/黏性力,流体中切应力与剪切变形率成比例切应力流体微团变形流体的易流动性,黏性系数,-动力粘性系数-运动粘性系数,T,分子无规则热运动速度,动量交换,流体粘性大小的度量,T=288.15K时水=1.7510-3N.s/m2T=288.15K时空气=1.789410-5N.s/m2T=288.15K且=1.225kg/m3时=1.460710-5m2/s,流体质点：可忽略尺度效应如膨胀/变形/转动的最小单元流体微团：大量流体质点组成的具有尺度效应的微小流体团,y,F,h,v(y),A,B,x,v,作用在流体上的力,质量力Rb,作用在体积内每个流体质点上的非接触力与以外流体无关,地球引力/重力电磁力非惯性系中惯性力,某时刻作用于单位质量流体上质量力,某时刻作用于体积微元和整个体积上质量力,只存在重力场,Z,X,Y,S,表面力pn,外界（流体或固体）作用在体积表面S上的力,压力黏性/摩擦力,体积表面S上面积元S外法向单位向量,设t时刻作用S上表面力,作用于面积元dS及整个表面S上表面力,流体分子间距离大分子间引力小,法向力,切向力,与黏性有关,流体静止,理想流体=0,流体压力热力学“压强”,流体质点不能承受拉力,表面力只能指向流体体积内部,可证明：静止流体或运动的无粘流体中某一点压强数值与所取作用面的空间方位无关,完全气体及其热力学参数、热力学定律,分子为弹性质点分子不占有体积分子间无作用力,完全气体,状态方程克拉贝隆方程,R-气体常数空气R=287.06J/kg.K,状态参数：标志热力系内工质所处状态的宏观物理量,基本状态参数,均匀热力系内两个独立状态参数,其他状态参数过程参数,其他状态参数,与过程有关的热力学参数,大量微观粒子具有的能量,内能u,不包括热力系宏观运动动能和外界作用的能量,分子动能分子移动/转动/内部原子振动T的函数分子位能分子间相互作用具有的能量v或的函数构成分子的化学能和构成原子的原子能,组成热力系,工质流动过程中携带的总能量即内能与推动功之和,焓h,热力学第一定律,外界传给封闭物质系统的热量=系统内能增量+系统对外界做机械功,定容比热,定压比热,热完全气体,Cv与Cp关系,比热比,Cv、Cp、k为常数,量热完全气体,真实气体效应,T600K,氧分子O2氮分子N2,平动+转动,单位质量空气,600KT2500K,氧分子O2氮分子N2,平动+转动+振动,振动动能,k,2500KT0,流体中运动物体所受的力,升阻力及力矩,气动力：空气施加在物面上作用力,垂直指向物面表面压力p切于物面且与气流方向相同切应力/摩擦力,合力,垂直来流升力L平行来流阻力D垂直弦线法向力N平行弦线轴向力A,迎角,弦线,来流,自由来流动压,参考面积S参考长度l,二维,升力系数,阻力系数,力矩系数,压强系数,摩擦系数,空气与气体动力学所需的部分数学知识,坐标系,笛卡尔坐标系,Z,X,Y,O,B,C,空间矢量,微增量,r,X,Y,O,r=const,r+dr=const,=const,+d=const,d,空间矢量,圆柱坐标系,Z,标量场的梯度,P,P1,Q,=const,+d=const,方向为变化率最大方向大小为这个最大变化率数值标量场不均匀性的量度,哈密顿算子及其在直角坐标系下形式,具有微分和向量双重性质进行向量计算并对其右边量微分,=const等势面上取任意相邻P1点,等势面=const单位法向量,为方向单位向量,dn为等势面=const和+d=const间最小距离,在R向的直接微分=在该方向的投影,哈密顿算子在圆柱坐标系下形式,矢量场的梯度张量及其分解,速度梯度张量=变形率张量（对称）+旋转张量（反对称）,与流体微团变形有关,与流体微团旋转有关,矢量场的散度,向量中包围M点作微小体积且其表面为s,速度散度,ds,流体微团边界为s，以运动的边界元法向单位向量为，则,流体微团体积相对变化率=流体速度散度,ds,矢量场的旋度,斯托克斯公式,矢量场V沿有向闭曲线L的环量等于矢量场V的旋度场通过L所张的曲面A的通量,闭域、S上的物理量、一阶偏导数连续,拉普拉斯算子,线/面/体积分关系,若S为的封闭曲面且为dS的单位外法线向量,随体导数及雷诺输运定理,拉格朗日法和欧拉法,欧拉法,拉格朗日法,t1t2时间段内,从某时刻始跟踪每一流体质点描述其流动参数变化,t1时刻,描述某时刻流场中占据不同空间几何位置的流体质点具有的流动参数分布,体系和控制体,体系,t1时刻,t2时刻,确定不变的流体质点集合边界随流体运动且变化,边界,环境,体系,力/能量,质量,t1时刻,t2时刻,边界,环境,控制体,力/能量/质量,相对空间坐标系固定不变的体积流体质点随时间流入/流出该空间,控制体,随体导数/物质导数,用欧拉导数表示一个流体质点/微团的拉格朗日变化率,某流体质点具有的某物理量如,流体质点通过1点时其具有的随时间变化率,拉格朗日变化率,随体导数/物质导数,流体质点速度,随体导数算子,局部或当地偏导数流体质点物理量因流动非定常性引起的随时间变化率,迁移偏导数存在梯度的非均匀场中因质点位置变化引起的物理量随时间变化率,的最大变化率投影至V方向t时间内运动距离,t时间,=单位时间变化率,小人儿低温迁移偏导数,屋里屋外,小人儿低温局部偏导数,雪球,雷诺输运定理,用欧拉导数表示一个流体体系的拉格朗日变化率,系统物理量,质量,动量,总能量,动量矩,(t),(t+t),S,