空气动力学CH4

1、2012/3/20玲狗 又。外9ngmtcs目 录今_ 41热力学蔼本机金及关系_ 42 一维等荒流动册.43马船波与唐联波.44正瑟波 45斜波波.i妞_宣笃8谈只ero6ngmics一热力学基本概念热力系统：热力学中人为分隔出来的研究对象.系统与外界之间能进行能量交换的根本原因，在于两者之间的 热力状态的差异.热力状态：指热力系统在基瞬间表现出的工质热力性质的总状 况，反映工质大量分子热运动的平均特性.状念参数：从各个不同方面描述工质状态特性的各种物理量.温度t.压强p.密度p (或比容v):容易测量也比较直 观，称为基本状态叁数.3 m 1, ，、45只 cr响namics比热内能e.，

2、单位物量的物质，温度升高或降低1k所吸收或放出的热量.用c表示.周量比热kj/(kg k)不仅取决于物质性质，还与气体热力过程和所处状态有关.定容比热:却定压比型:一热力系抗处于宏观酵止状时,萦院内所有微观粒子所具有的 犍之和.它取决于萦猊本身的状态，与泵统内工质的分子结施及 函见运动形式有关.包括内动靛、内位靛及维持一定分子结为的化学能和原子核内部 的庾子能.浸化学反应.核反应时: 内能=内动能内位色完全气体e = f(t) = cj只 grwfmamics定义：a=e + p开口系统一有物质流进.流出的处力系坑. 它与外界之商建物质流传递的皖量包括靖：表示随出动工质传递的电靛虽中,取决于工

3、质微猊热力状态可逆过程：当系统进行正、反两个过程后，系统与外界均能完 全回复至物始状态.可逆条件：1)传热无温若.作膨胀功无压力差：2)过程没有耗散效应，如机械运动没有摩擦。炳，定义为：ds =卑心 kj/kg kattention :病也是一个状态参数！5* *女 a 乂，io的那部分.完全气体：/i=c,r+/?r = cr8)5) 只er。6ngmics山但2 0卞.ql靖城大的原因？对于高速气体流动，过程不可逆的因素有: 粘性摩擦、我的出现、温度现度导致的!叫与导.但对于沅场大部分区域，速度桶度、温度精度都不大.可以忽略 粘性摩擦和温差传热，在没有激波出现的区域，可以认为是可逆绝热殛i

4、:boeing747飞机在 10km高空飞行，vlwmbsp 1.92 x 104pa 求：该点的温度l解:10km高空大气鲜为:p80.265xl()5pa r tao-223.3k 根据等蜴过程方程:aerodynamws x3e程|乎才常致月 gronamics月 go 今rsffnrs2一微走管绝热洗参效同妁蠹本关系支对于t可压定常绝热浪，利用上述方程组可以求出各无动鉴数q2 :为什么71.使用驻点当数的关系式沿流线（或沿管地线）的变化，但需要给定专炉上的叁数值常用 参考点为驻点或临界点.0驻点：速度为。的点，动能为o ,恰达到最大，称为总给、驻点 恬或滞止焙.温度星高，称为驻点温度或

5、滞止温度,压强达到最大， 称为总压.注点和匚工12 r-i y-i前酶温之比：由于在鬲速气流中直接测星静温相当国唯，而总温容舄测里， 故通常遢过测量to和ma来计籁当地静温t.上式从绝热过程缝里方程出发得氨1,可逆和不可能过程都适用.16jlmufynamics在一堆等怜澹动（绝热无版 可逆）中，总温保持不变，总压沿着 淙线不变，并由状态方程得，驻点密度也不变：2.使用临界叁考量的叁数关系式立,（1+?叱尸可见，温度.压避、密度总静叁数比都与mms有关，为使用方 使,格空气一维等淄流动各叁数与驻点叁数之比与马x数的关系列成 表格，便于应用见教材附录表a.6.attention :在ma0.32

6、时，po/pl.o5 ,即整个过程宙度的相 对变化小于5% ,可以忽略密度的变化，看成是不可压流体.(71 4)在一维绝热中,沿流线某点的淙速恰好等于当地的育速时（ma=l）,称该点为ifi界点或iffi界藏面，谈处的参数祢为llffi界叁数182012/3/20根据根据:四鳏能渝只er。肉namics= 0 8337 + 1有。说明纸界吉速也可以代表一堆绝热济动的总能呈彘助程初三三身需与在气济叁数的计算中,因为沿淙线各处温度不同，吉速不同,按 mhbt计菖流速或按流速计算ma数,都要先计电声逵.有时并不方 便.一堆绝热流动中，16界声速代表总能量，是一个定值.所以， 可以将被界声速印（非当地

7、再建）取为叁考速度.）与、门的关系:速度只与与z成正比.20/19用一维等靖流动修、总弁散之比与速度系数之间的关系为.，山）4 r+i，（1一口 下声.cl）pu ，+ 1q-七|i尸,，a ，+1&,敏，ru）随a的文化, 间的关系列表蛤出，便于应用.一些教材或手册也将它们之将，aj=-（/-ix； 1m） poi说旧埔变与总压变化有关绝热可逆过程：总压不变嫡不变.bp等端过程；e空不可逆过程：总压减小，嫡烟大超声速冷场和亚吉速流场有许多牌的差别,其中一个很重要的方 面就是小挑动的传播范围，或者说i尤动的影响区不同.只 er响namicss.埴变与总压之间的关系ax j.-j =r lnzl

8、-/flnix, in工一（7-1上 in 工 生 工a=（r-ix.总铮压比：f修i安修厂应只odynamms43马赫波与膨胀波 发扰动妁伶砂区一乌修整jlgeffruurtia*-zlx。，mal .亚吉速淙动，前i秒的球面波眼来津方向移动.但因疣动传搔速度高于淙体澹速,扰动仍可影响全流场（扰海的上游和下游）.气流没到扰源之前就 is觉到扰动了，气:怎逐渐 改变端向和多数以适应挑 涯的要求。的jlero（fynamics0马卷波越支通气流遇到有小i尤动时气流方向要改娈,淙动当数也有 微小变化,在马m线的法线方向叁数发生变化.m ：超吉速气温经过aob面，在o点有有小折角.速度方向偏转. 经

9、过马赫线叁数如何变化?彬马静线前后的速度分 为切向t和法向n的速度 切向速度不变：vr = vcos /vr,=(v + dv) cos(p -d6)$彳攵彳乂学28vcos / = (v + dv) cos(/ + d 6)展开,怒二册小员:表示超吉速气溢通过马li波，气流速度变化小与方向16转布 之间的回分关系式.因为忽略了耘住,气原俱转角又为小星,可以 看做等境流动.其它量的兖化关系如下：dpmaz)ma2vmt-tde国笃勘又。右”疥匕s结论：1 .超声速气相一”郸j正偏转角de,速度增大； ：气流外折，流通断面扩大）压强减小;密度减小： 盘度旗低.2 .运声透气淙经一“你j负偏转角d

10、e,速庾减小； （气淙内折，出逼断面缩小）压片增大：密度增大；气体发生能假 能服马赫波卜气体发生压ib ,压缩马稀波马静波后，压层系数为：一工超离速气流经一有用偏错角9,也会发生膨胀或压缩，但流动 当数号偏转角之间的关系需要进一步专1瓶定.30宓qg谈 只 grwfynamics庭期j）s） 只ognamics由于按公式计算md?要用送代求解方法，直按计算不右便, 气动手册中常根据以上公式列出空气（7=1.4 ）超声速能胀加速数 值差,方便工程应用能账波的相关特性及计苴为喷管等的设计 提哄了理论基础.能胀波后参数计算步：1）根据m5m e,按上式计算出加速后的马桶数ma2 ；2）根据杳附录裳瓦

11、6 ,获得t/t冰p2mo. p恒；3），t”=t0, pwp外 p?ofi。；4）最后求得气流儡转8角后，修版后的静叁数k. p】等.又 er响namics , ma, j；.】澈漉前后总温不变 %=如 激波前后滥便的关系： 1+3至二上二jw7w（2lm心3）二 r 工 q 7；（7+i）m. 7+1 r+r激波转征1）激波的强度很大激波面扫过，压强由同突跃为p2 ；2）激波是一个极其薄的区域，厚度很小.大约相当于分子平均目 由程的大小,标准状态下,空气分子的平均自由程妁为10 4 mm.3）气流经过激波发生激烈的压缩，压缩过程很迅速，所以可以看 作是绝热压缩过程，但压热过程出现修海的摩麒

12、和能虽损失，奉 数的变化不再是等埴过程,前面的等墟过程叁数之间的关系不再 适用于激波前、后叁数娈化的计宜了.4）激波理论就是解决激波前、后叁数变化的计算问还。谈 只 ero幽namics激波前后叁数变化结论：波前马赫数起大，1）激波层度r越大；：）波后号念速度越低；3）静压口凡比超大；4 ）温度比t/ti超大；5）密度wi超大，但最终趋于一定值；6 ）总压比pp】o超小，但最终趋于一定值；6）嫡增越大；7）波用越大.为方便应用，激波前后叁数变化畸来澹马稣数的变化列表蛤 出，见附录表九九减小波阻是研究超去速流动问踵的主要任务.在可奏发生正 激波的位置，尽量减小波前马秫数，可以减小波阻方彳女4大，

13、43（?）丝会f黄以方程消去其中的4 ,得到波前、波后 压强比和宙度比的关系，称为激波 突跃绝热（计能呈吒散）关系式.或兰金许贡妞关系式.p: . /-ip=几1a 3 生+1一 00. a与等靖（绝热无能量联）过程 的压强、击度关茎式完全不同.尹洋6 4）jlerotfynamics46兰金一在领关系式完全气体状态方程 得到遨波前后温度变化与压层变化的关系tjtxffl7 3 克跃壮热及等关系一线14在压强比蛟451,二看几乎一致，说明计氤弱激波参数变化 也可以近，以校等娼过程处理.i 246 8 10204060 80 100相同外p.下，说明激液技后 温度比等 m 编皮波后温度升高 更多

14、。因为激波层的摩擦耗散热 迸一步加热了气体.国aoynamics澈波前后总压的变化:心-以呵柒3，b卜三，）?黑:j+l）y 产（y-1）叫+ 2激滞后静压魂突跃地大，但总压减小总压的减 小值称为激波阻力,荷林逋用.波阻将有用的动 52转变为无用的庠隙热.波距随波丽马赫数的暗大而熠大.；ie ：膨胀波使气淙加速是逐渐胃成的,不计能 虽挑散,总压保持不变.pq j.r-il可见，单荻得总压、静压还不能得到速度，需要同时获得当地 气流室速。超声速可压击毕托管测速：毕托省正前产生一道弓形 激波，中间相当于正激波. 毕托管测出的总压是激波 后的总压p”，小于波前总 压p.8为 p： thpmpl称为雷

15、利华托管公式可以迭代求出。一较* f在手册中列表（见附录袤a.5 ） 给出它们的对应关系.获得ma后，与当地声速一道可以询定出气流速度.结论：1）正激波的关系式可以用于斜激波的波前,波后参数的计算.2）计宜时注均替换：在正海波的所有公式中，将，加换为，“，格，.瞽换为，匕,格“町替换为”叫将v，：替换为.vfditf = mat cmfi mu” = maz - cm（2-j）-a1t :我中彳丈*583） 6=0,对应： b=o的是马赫波， 890僚|是正波.4）给定m%,都存在 一个最大气i念折角6 mm5 ）不同mih下的是大 气淙折角连成虚线， 查线以下的区域为弱 激波.后面的讨论限

16、于弱激波.斜漱波前后滥便关系：2=2 + （7-1）的却,夕（上也：他3）7汕夕 /41, + 纠微波前后总压比b=jl+%）向 空空三江产s *1j l（/-lmj:mp+2以上关系式系明二气流羟过斜激波的液数变化除亏波前 马幡数有关外，还与激波斜角。有关，而激波斜角又取决于波 前马球脱14】以及气流折角6 画只ewifynamics （澈波田或1）由图可见，对于给 定m%和6的侑况. s 有两个不同的许2） p大者，称为强激波； b小者，称为弱激波. 根据实蛤观察，方向决二 定（壁面内折,楔形物。 体绕法）的斜蹙波，永 远是只出现弱匿波,不 出现强波.弱激波后一 般还是超高速目月分崎mww

17、ic结论:1. 6不变，陌、1对增大，1） b减小，但m肛11fs大；2）波后马赫数m%增大；3 ）静国“i比超大；4 ）的比压p jpio出、；s）激波强度增大、波阻增大, 为减小速阳,在可能发生激波的位置尽是减小波前马赫数.2. m丐不变,随6熠大. 1） 0熠大, m#l .大；2）波后马静数m%增大；3）总压人%比越大；4）总比母血,也j、；5 ）激波强底起大、波阻越大.为减小波阻超声速典型尖头的身根角不靛大0为又。办na皿s4.6 喷管(oblique shock wave )68施只 erodynamtcs亚芮速气洸要持绫增速到超言速状态，会经过一先先管道，中间截面最小,这种管道称为拉瓦尔*.后犷张的嗔管是中气飞机.火箭发动机中的一个垂要的部牛.1ft管设计在至 气由力学手册中有专门箫幅介蛤.拉瓦尔喟曾嗔管出口压通刚好等于环 境压岸（背压），殖苜工 作处于设计状态；喷管出口压昌大于环境压 3,哦修出口发生能率波. 压力疑为坏填压0;喳管出口压总小于环境压 s,喷管出口产生滋波.压姿升寻到环境压魂.70只 er响namics本章弘本要求掌捏声遑、马公强、马t波、琳波、激波的最念；拿握履工、物鼻点的今x.等泣动息的+做比曲马做的文化 m声速i规中.什么酎候产生,波7什么时候产生袁波7廊徐波、双后余歙的贵化鳗卷