南京航空航天大学空气动力学课件

1、南京航空航天大学空气动力学,1,流 体 力 学 Fluid Mechanics,田书玲 南京航空航天大学 航空宇航学院 ,第一部分,南京航空航天大学空气动力学,2,什么是流体？有何特征？,自然界中物质存在形式： 固体 液体 气体 液体和气体统称流体 固体、液体和气体放置于密闭容器内： 固体保持原有体积和形状； 液体保持原有体积，形状适应容器； 气体将充满容器。 流体极易发生剪切变形，静止时不能承受剪切力,南京航空航天大学空气动力学,3,力学范畴内的几个划分,力 学,流体力学,流体静力学,流体动力学,液体动力学,气体动力学,空气动力学,其它力学,南京航空航天大学空气动力学,4,空气动力学基础部分

2、（课程结构）,预备知识 偏微分方程、矢量分析 场论、在矢量场内的微积分 守恒律、热力学定律 流体力学基本原理和分析方法 无粘不可压流动 Bernoulli 方程、位流理论与基本解、K-J定理 无粘可压流动 热力学定律、等熵流动、激波理论、高速管流 粘性流动边界层理论初步,南京航空航天大学空气动力学,5,部件空气动力学（后续课程结构）,低速翼型理论 几何特点、K-J后缘条件、薄翼型理论 低速机翼气动特性 B-S定律、升力线（面）理论 亚音速空气动力学 小扰动线化理论、薄翼型（机翼）气动特性 超音速空气动力学 薄翼型线化理论、跨音速流动、高超音速流动 计算流体力学（CFD） 网格生成、控制方程解算

3、,南京航空航天大学空气动力学,6,参考文献,徐华舫，空气动力学基础，北航版 H. Schlichting, Boundary layer theory, 7Ed J.D. Anderson, Introduction to Flight E.L. Houghton Chemistry; MHD, and etc.,南京航空航天大学空气动力学,16,第一章 流体力学的基础知识,基本任务和应用领域 流体力学的研究方法 流体力学发展概述 流体介质的物理特性 气动力、力矩及气动力系数 矢量和积分 控制体、流体微团以及物质导数,南京航空航天大学空气动力学,17,主要研究方法,实验研究 理论分析 数值计算

4、,南京航空航天大学空气动力学,18,实验设备,风洞 wind tunnel 80 x120ft, NASAs Ames Res. Center, 1999,水洞 water tank,激波管 shock tube,南京航空航天大学空气动力学,19,实验测试技术,机械 光、电、声、热,南京航空航天大学空气动力学,20,流动显示技术,南京航空航天大学空气动力学,21,实验研究方法,实验准备工作要求较高 尽可能排除不必要的影响因素 可能涉及机械、力学、光学、电子 实验结果较为真实、直接、可靠 模型尺寸限制 实验边界的影响 准备周期长 影响因素多，测量过程易受干扰 大量的人力和物力消耗,南京航空航天大

5、学空气动力学,22,理论分析方法,流动的模型化问题的抽象表达 找出主要因素，忽略次要因素 控制方程的建立与解算 后处理和分析 有助于揭示问题的内在规律 未计及因素的修正 仅适用于简单问题,南京航空航天大学空气动力学,23,数值计算方法,求解方法多样化 有限差分(FDM)、有限元(FEM)、有限体积方法(FVM)、谱方法 对常规问题耗费相对较小 可用于解算复杂流场的流动 计算者必须对精度、稳定性、模型的合理性有清楚的认识 某些流动难以精确模拟,南京航空航天大学空气动力学,24,第一章 流体力学的基础知识,基本任务和应用领域 流体力学的研究方法 流体力学发展概述 流体介质的物理特性 气动力、力矩及

6、气动力系数 矢量和积分 控制体、流体微团以及物质导数,南京航空航天大学空气动力学,25,流体力学发展概述（-1800）,I. Newton，船舶的阻力, 1726 D. Bernoulli, Hydrodynamica, 1738 L. Euler, 不可压无粘流动方程组，1755 DAlembert 疑题, 1744 Lagrange, 流体动力学解析方法的提出,Daniel I. Bernoulli (1700-1782),Leonhard Paul Euler (1707-1783),Jean le Rond dAlembert (17171783),南京航空航天大学空气动力学,26,流

7、体力学发展概述（1800- ）,Simon-Denis Poisson (1781 1840),Pierre-Simon, marquis de Laplace (1749 - 1827),Poisson,解决了绕球的无旋流动, 1826 Laplace, Laplace方程, 1827 Rankine, 奇点法解Laplace方程，位流理论，1868 Helmholtz,漩涡运动理论，流动稳定性,William John Macquorn Rankine (18201872),Hermann Ludwig Ferdinand von Helmholtz (1821 1894),南京航空航天大

8、学空气动力学,27,流体力学发展概述（1800- ）,Navier-Stokes, 粘性流体的一般方程, 1826,1845 O.Reynolds, 湍流,1876-1883, Reynolds平均方程, 1895 Rankine(1870)-Hugoniot(1887)激波关系式 Wright, Flyer-1, 1903 Kutta-Joukowski(1906)升力公式,Claude-Louis Navier (1785 1836),Sir George Gabriel Stokes 1st Baronet FRS (18191903),Osborne Reynolds (1842191

9、2),Nikolai Y. Zhukovsky (1847 1921),Martin Wilhelm Kutta (1867-1944),南京航空航天大学空气动力学,28,流体力学发展概述（1800- ）,Prantdl, 边界层理论, 1904; 升力线理论,1918-1919 湍流边界层的混合长模型,1925; Tollmien(1929)-Schlichting(1933),T-S不稳定性 Von Karman积分关系式 Von Karman-Tsien公式，1944,Ludwig Prandtl (1875 1953),Walter Tollmien (1900-1968),Herma

10、nn Schlichting (1907-1982),Theodore von Krmn (1881 1963),钱学森 (1911-2009),南京航空航天大学空气动力学,29,第一章 流体力学的基础知识,基本任务和应用领域 流体力学的研究方法 流体力学发展概述 流体介质的物理特性 气动力、力矩及气动力系数 矢量和积分 控制体、流体微团以及物质导数,南京航空航天大学空气动力学,30,流体介质的物理特性,连续介质假设 流体流动的相关物理量 完全气体状态方程 压缩性、粘性和传热性 流体的模型化,南京航空航天大学空气动力学,31,连续介质假设,分子平均自由程和物体特征尺寸d 自由分子流/非连续流动

11、 和d在同一量级 连续流动 continnum flow d 低密度流动 连续介质假设,南京航空航天大学空气动力学,32,流体介质的物理特性,连续介质假设 流体流动的相关物理量 完全气体状态方程 压缩性、粘性和传热性 流体的模型化,南京航空航天大学空气动力学,33,流动相关的物理量,密度 Density 压强 Pressure 温度 Temperature 速度 Velocity,南京航空航天大学空气动力学,34,流体的密度,流体微团 在连续介质的前提下流场中任取一点B 其密度为,南京航空航天大学空气动力学,35,流体的压强,气体分子在碰撞或穿过取定的表面时，单位面积上所产生的法向力 该点压强

12、为,南京航空航天大学空气动力学,36,流体的温度,气体温度T 的热力学意义 高温气体的分子和原子高速随机碰撞，而在低温气体中，分子随机运动相对缓慢些,南京航空航天大学空气动力学,37,流体的速度,不同于刚体力学的概念 流体在空间中某点B 的速度就是流体微元通过点B 时的速度,南京航空航天大学空气动力学,38,流体介质的物理特性,连续介质假设 流体流动的相关物理量 完全气体状态方程 压缩性、粘性和传热性 流体的模型化,南京航空航天大学空气动力学,39,完全气体状态方程,一般气体状态方程 完全气体 分子间作用力忽略不计 假设分子间仅存在完全弹性碰撞且只有在碰撞时才发生作用 微粒的实有总体积和气体所

13、占空间相比忽略不计 完全气体状态方程：,南京航空航天大学空气动力学,40,流体介质的物理特性,连续介质假设 流体流动的相关物理量 完全气体状态方程 压缩性、粘性和传热性 流体的模型化,南京航空航天大学空气动力学,41,流体的压缩性,压缩性 体积弹性模量 一定质量的气体，体积与密度成反比 水和低速空气可看作是不可压的,南京航空航天大学空气动力学,42,流体的粘性,Viscous1.avi,Viscous2.avi,南京航空航天大学空气动力学,43,流体的粘性,气流速度分布规律是粘性的表现，具有速度梯度的相邻流层，存在相互牵扯作用，这种作用力称作粘性力和内摩擦力。,空气粘柱实验模型（卧式转盘）,南

14、京航空航天大学空气动力学,44,流体的粘性,流体分子的不规则热运动 质量和动量的交换 牛顿粘性定律,思考： 物体受绕流哪些作用力？,南京航空航天大学空气动力学,45,流体的粘性,为动力粘性系数，表征流体粘度大小 气体随温度升高而增大 液体随温度升高而减小 适用于空气的萨瑟兰公式 运动粘性系数 kinematic viscosity,与压强基本无关,南京航空航天大学空气动力学,46,流体的热传导特性,Fourier公式 单位时间内通过单位面积所传递的热量与沿热流方向的温度梯度成正比 导热系数 温度为问题温度方向梯度（导数）,南京航空航天大学空气动力学,47,流体介质的物理特性,连续介质假设 流体

15、流动的相关物理量 完全气体状态方程 压缩性、粘性和传热性 流体的模型化,南京航空航天大学空气动力学,48,流体的模型化,流体具有多方面的物理属性 考虑所有物理属性，问题非常复杂 关注主导物理属性，忽略次要物理属性 根据实际流动问题，简化出各种流体模型,南京航空航天大学空气动力学,49,流体流动的不同范畴,流动速度（Mach数） 亚、跨、超、高超音速 可压缩性 不可压、可压 粘性 无粘、有粘 热传导 绝热流动、等温流动 绝热表示流动不考虑热传导或导热系数为零,南京航空航天大学空气动力学,50,理想流体模型,理想流体 不考虑粘性，也称无粘流体 典型适用情况 绕流图画 升力问题 失效范围及原因,南京

16、航空航天大学空气动力学,51,不可压流体模型,密度无变化、弹性模量极大、低速空气 热力学特性可单独考虑 常见模型流动 可压粘性流动 可压理想流体模型（无粘可压流动） 不可压粘性流动 无粘不可压流动（最为简单）,南京航空航天大学空气动力学,52,绝热流体模型,绝热流体 不考虑热传导性，热传导系数为零 典型适用情况 低速流动 高速流动，但温度梯度较小 高超声速流动,南京航空航天大学空气动力学,53,综合讨论,南京航空航天大学空气动力学,54,第一章 流体力学的基础知识,基本任务和应用领域 流体力学的研究方法 流体力学发展概述 流体介质的物理特性 气动力、力矩及气动力系数 矢量和积分 控制体、流体微

17、团以及物质导数,南京航空航天大学空气动力学,55,作用于航空器上的气动力,C-130,安225,南京航空航天大学空气动力学,56,翼型族,翼型族,南京航空航天大学空气动力学,57,作用于翼型上的气动力,p,x0,迎角,正压力,摩擦应力,弦向,南京航空航天大学空气动力学,58,不同坐标系下的气动力,体轴系与风轴系 升力与阻力（风轴系） 轴向力与法向力（体轴系）,南京航空航天大学空气动力学,59,体轴系下的气动力,问题：下翼面dN与 dA如何表达？,Figure 1.11 in Andersons Fundamentals of Aerodynamics, 3rd Ed.,南京航空航天大学空气动力学,60,体轴系下的气动力,Figure 1.12 in Andersons Fundamentals of Aerodynamics, 3rd Ed., 2001,南京航空航天大学空气动力学,61,体轴系下的气动力矩,Here,作用在物面上的气动力与力矩是物面压力与剪切应力的合成结果,习惯上俯仰力矩以抬头方向为正！,南京航空航天大学空气动力学,62,笛卡尔坐标系下的情况,ds,dx,-dy,q,问题：L与 D如何表达？,南京航空航天大学空气动力学,63,流动相似性与无量纲化,流动相似性,实际飞行器和风洞试验模型气动力和力矩不相等,南京航空