南京航空航天大学 空气动力学课件第一章

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什么是流体？有何特征？什么是流体？有何特征？n自然界中物质存在形式：自然界中物质存在形式：n固体固体n液体液体n气体气体n液体和气体统称流体液体和气体统称流体n固体、液体和气体放置于密闭容器内：固体、液体和气体放置于密闭容器内：n固体保持原有体积和形状；固体保持原有体积和形状；n液体保持原有体积，形状适应容器；液体保持原有体积，形状适应容器；n气体将充满容器气体将充满容器。n流体极易发生剪切变形，静止时不能承受剪切力流体极易发生剪切变形，静止时不能承受剪切力力学范畴内的几个划分力学范畴内的几个划分力力 学学

2、 流体力学流体力学流体静力学流体静力学流体动力学流体动力学液体动力学液体动力学气体动力学气体动力学空气动力学空气动力学其它力学其它力学空气动力学基础部分空气动力学基础部分（课程结构）（课程结构）n预备知识预备知识n偏微分方程、矢量分析偏微分方程、矢量分析n场论、在矢量场内的微积分场论、在矢量场内的微积分n守恒律、热力学定律守恒律、热力学定律n流体力学流体力学基本原理和分析方法基本原理和分析方法n无粘不可压流动无粘不可压流动nBernoulli 方程方程、位流理论与基本解位流理论与基本解、K-J定理定理n无粘可压流动无粘可压流动n热力学定律热力学定律、等熵流动等熵流动、激波理论激波理论、高速管流

3、高速管流n粘性流动粘性流动边界层理论边界层理论初步初步部件空气动力学部件空气动力学（后续课程结构）（后续课程结构）n低速翼型理论低速翼型理论n几何特点、几何特点、K-J后缘条件、薄翼型理论后缘条件、薄翼型理论n低速机翼气动特性低速机翼气动特性nB-S定律、升力线（面）理论定律、升力线（面）理论n亚音速空气动力学亚音速空气动力学n小扰动线化理论、薄翼型（机翼）气动特性小扰动线化理论、薄翼型（机翼）气动特性n超音速空气动力学超音速空气动力学n薄翼型线化理论、跨音速流动、高超音速流动薄翼型线化理论、跨音速流动、高超音速流动n计算流体力学（计算流体力学（CFD）n网格生成、控制方程解算网格生成、控制方

4、程解算参考文献参考文献n徐华舫，徐华舫，空气动力学基础空气动力学基础，北航版，北航版nH. Schlichting, Boundary layer theory, 7EdnJ.D. Anderson, Introduction to FlightnE.L. Houghton & P.W. Carpenter, Aerodynamics for Engineering StudentsnG.K. Batchelor, An Introduction to Fluid DynamicsnD.J. Tritton, Physical Fluid Dynamicsnhttp:/ Anderson Fu

5、ndamentals of Aerodynamics.第一章第一章 流体力学的基础知识流体力学的基础知识n基本任务和应用领域基本任务和应用领域n流体力学的研究方法流体力学的研究方法n流体力学发展概述流体力学发展概述n流体介质的物理特性流体介质的物理特性n气动力、力矩及气动力系数气动力、力矩及气动力系数n矢量和积分矢量和积分n控制体、流体微团以及物质导数控制体、流体微团以及物质导数第一章第一章 流体力学的基础知识流体力学的基础知识n基本任务基本任务和应用领域和应用领域n流体力学的研究方法流体力学的研究方法n流体力学发展概述流体力学发展概述n流体介质的物理特性流体介质的物理特性n气动力、力矩及气动

6、力系数气动力、力矩及气动力系数n矢量和积分矢量和积分n控制体、流体微团以及物质导数控制体、流体微团以及物质导数流体力学的基本任务流体力学的基本任务n流体力学是研究流体与周围物体存在相流体力学是研究流体与周围物体存在相对运动时的对运动时的运动规律运动规律和和力的作用力的作用的科学的科学n研究对象：与物体相对运动流体研究对象：与物体相对运动流体n探寻流体运动的基本规律探寻流体运动的基本规律n研究流体与固体之间的相互作用研究流体与固体之间的相互作用n应用流体力学规律解决工程技术问题应用流体力学规律解决工程技术问题n预测流体力学新的发展方向预测流体力学新的发展方向第一章第一章 流体力学的基础知识流体力

7、学的基础知识n基本任务和基本任务和应用领域应用领域n流体力学的研究方法流体力学的研究方法n流体力学发展概述流体力学发展概述n流体介质的物理特性流体介质的物理特性n气动力、力矩及气动力系数气动力、力矩及气动力系数n矢量和积分矢量和积分n控制体、流体微团以及物质导数控制体、流体微团以及物质导数研究流体运动的科学研究流体运动的科学航空航天航空航天研究流体运动的科学研究流体运动的科学生物学、仿生学与医学生物学、仿生学与医学研究流体运动的科学研究流体运动的科学建筑学、风工程建筑学、风工程研究流体运动的科学研究流体运动的科学地球物理、大气动力学、气象学地球物理、大气动力学、气象学应用领域应用领域第一章第一

8、章 流体力学的基础知识流体力学的基础知识n基本任务和应用领域基本任务和应用领域n流体力学的流体力学的研究方法研究方法n流体力学发展概述流体力学发展概述n流体介质的物理特性流体介质的物理特性n气动力、力矩及气动力系数气动力、力矩及气动力系数n矢量和积分矢量和积分n控制体、流体微团以及物质导数控制体、流体微团以及物质导数主要研究方法主要研究方法n实验研究实验研究n理论分析理论分析n数值计算数值计算实验设备实验设备风洞风洞 wind tunnel80 x120ft, NASAs Ames Res. Center, 1999水洞水洞 water tank激波管激波管 shock tube实验测试技术实

9、验测试技术n机械机械n光、电、声、热光、电、声、热流动显示技术流动显示技术实验研究方法实验研究方法n实验准备工作要求较高实验准备工作要求较高n尽可能排除不必要的影响因素尽可能排除不必要的影响因素n可能涉及机械、力学、光学、电子可能涉及机械、力学、光学、电子实验结果较为真实、直接、可靠实验结果较为真实、直接、可靠 模型尺寸限制模型尺寸限制 实验边界的影响实验边界的影响 准备周期长准备周期长 影响因素多，测量过程易受干扰影响因素多，测量过程易受干扰 大量的人力和物力消耗大量的人力和物力消耗理论分析方法理论分析方法n流动的模型化流动的模型化问题的抽象表达问题的抽象表达n找出主要因素，忽略次要因素找出

10、主要因素，忽略次要因素n控制方程的建立与解算控制方程的建立与解算n后处理和分析后处理和分析 未计及因素的修正未计及因素的修正数值计算方法数值计算方法n求解方法多样化求解方法多样化n有限差分有限差分( (FDM) )、有限元、有限元( (FEM) )、有限体积、有限体积方法方法( (FVM) )、谱方法、谱方法n对常规问题耗费相对较小对常规问题耗费相对较小n可用于解算复杂流场的流动可用于解算复杂流场的流动n计算者必须对精度、稳定性、模型的合计算者必须对精度、稳定性、模型的合理性有清楚的认识理性有清楚的认识n某些流动难以精确模拟某些流动难以精确模拟第一章第一章 流体力学的基础知识流体力学的基础知识

11、n基本任务和应用领域基本任务和应用领域n流体力学的研究方法流体力学的研究方法n流体力学发展概述流体力学发展概述n流体介质的物理特性流体介质的物理特性n气动力、力矩及气动力系数气动力、力矩及气动力系数n矢量和积分矢量和积分n控制体、流体微团以及物质导数控制体、流体微团以及物质导数流体力学发展概述流体力学发展概述（-1800）nI. Newton，船舶的阻力, 1726nD. Bernoulli, Hydrodynamica, 1738nL. Euler, 不可压无粘流动方程组，1755nDAlembert 疑题, 1744nLagrange, 流体动力学解析方法的提出Daniel I. Bern

12、oulli (1700-1782)Leonhard Paul Euler (1707-1783)Jean le Rond dAlembert (1717 1783) 流体力学发展概述流体力学发展概述（1800- ）Simon-Denis Poisson (1781 1840) Pierre-Simon, marquis de Laplace (1749 - 1827)nPoisson,解决了绕球的无旋流动, 1826nLaplace, Laplace方程, 1827nRankine, 奇点法解Laplace方程，位流理论，1868nHelmholtz,漩涡运动理论，流动稳定性William J

13、ohn Macquorn Rankine (18201872) Hermann Ludwig Ferdinand von Helmholtz(1821 1894) 流体力学发展概述流体力学发展概述（1800- ）nNavier-Stokes, 粘性流体的一般方程, 1826,1845nO.Reynolds, 湍流,1876-1883, Reynolds平均方程, 1895nRankine(1870)-Hugoniot(1887)激波关系式nWright, Flyer-1, 1903nKutta-Joukowski(1906)升力公式Claude-Louis Navier (1785 1836)

14、Sir George Gabriel Stokes1st Baronet FRS (18191903)Osborne Reynolds (18421912) Nikolai Y. Zhukovsky (1847 1921)Martin Wilhelm Kutta(1867-1944) 流体力学发展概述流体力学发展概述（1800- ）nPrantdl, n边界层理论, 1904; 升力线理论,1918-1919n湍流边界层的混合长模型,1925;nTollmien(1929)-Schlichting(1933),T-S不稳定性nVon Karman积分关系式nVon Karman-Tsien公式

15、，1944Ludwig Prandtl (1875 1953)Walter Tollmien (1900-1968)Hermann Schlichting (1907-1982)Theodore von Krmn(1881 1963)钱学森(1911-2009)第一章第一章 流体力学的基础知识流体力学的基础知识n基本任务和应用领域基本任务和应用领域n流体力学的研究方法流体力学的研究方法n流体力学发展概述流体力学发展概述n流体介质的物理特性流体介质的物理特性n气动力、力矩及气动力系数气动力、力矩及气动力系数n矢量和积分矢量和积分n控制体、流体微团以及物质导数控制体、流体微团以及物质导数流体介质的

16、物理特性流体介质的物理特性n连续介质假设连续介质假设n流体流动的相关物理量流体流动的相关物理量n完全气体状态方程完全气体状态方程n压缩性、粘性和传热性压缩性、粘性和传热性n流体的模型化流体的模型化连续介质假设连续介质假设n分子平均自由程分子平均自由程 和物体特征尺寸和物体特征尺寸d dn自由分子流自由分子流/ /非连续流动非连续流动n 和和d d在同一量级在同一量级n连续流动连续流动 continnum flow n dn低密度流动低密度流动n连续介质假设连续介质假设流体介质的物理特性流体介质的物理特性n连续介质假设连续介质假设n流体流动的相关物理量流体流动的相关物理量n完全气体状态方程完全气

17、体状态方程n压缩性、粘性和传热性压缩性、粘性和传热性n流体的模型化流体的模型化流动相关的物理量流动相关的物理量流体的流体的dvdmdv0limdvdm流体的流体的dAdFdAdFpdA0lim流体的温度流体的温度32KEkTEKk流体的速度流体的速度StreamlineABFluid element流体介质的物理特性流体介质的物理特性n连续介质假设连续介质假设n流体流动的相关物理量流体流动的相关物理量n完全气体状态方程完全气体状态方程n压缩性、粘性和传热性压缩性、粘性和传热性n流体的模型化流体的模型化完全气体状态方程完全气体状态方程：),(TpppRT流体介质的物理特性流体介质的物理特性n连续

18、介质假设连续介质假设n流体流动的相关物理量流体流动的相关物理量n完全气体状态方程完全气体状态方程n压缩性、粘性和传热性压缩性、粘性和传热性n流体的模型化流体的模型化流体的压缩性流体的压缩性VdVdpE/ddpE VdVd流体的粘性流体的粘性nvvAA空气粘性实验流体的粘性流体的粘性空气粘柱实验模型（卧式转盘）流体的粘性流体的粘性nu流体的粘性流体的粘性n气体气体 随温度升高而增大随温度升高而增大n液体液体 随温度升高而减小随温度升高而减小CTCT15.28815.2885 . 10流体的热传导特性流体的热传导特性nTq Tn流体介质的物理特性流体介质的物理特性n连续介质假设连续介质假设n流体流

19、动的相关物理量流体流动的相关物理量n完全气体状态方程完全气体状态方程n压缩性、粘性和传热性压缩性、粘性和传热性n流体的模型化流体的模型化流体的模型化流体的模型化n流体具有多方面的物理属性流体具有多方面的物理属性n考虑所有物理属性，问题非常复杂考虑所有物理属性，问题非常复杂n关注主导物理属性，忽略次要物理属性关注主导物理属性，忽略次要物理属性n根据实际流动问题，简化出各种流体模型根据实际流动问题，简化出各种流体模型流体流动的不同范畴流体流动的不同范畴n流动速度流动速度（Mach理想流体模型理想流体模型不可压流体模型不可压流体模型绝热流体模型绝热流体模型00const0t第一章第一章 流体力学的基础知识流体力学的基础知识n基本任务和应用领域基本任务和应用领域n流体力学的研究方法流体力学的研究方法n流体力学发展概述流体力学发展概述n流体介质的物理特性流体介质的物理特性n气动力、力矩及气动力系数气动力、力矩及气动力系数n矢量和积分矢量和积分n控制体、流体微团以及物质导数控制体、流体微团以及物质导数安225Vpx0VcossinsincosANDANLuuuuuuuudspdAdspdN)cossin()sincos(Figure 1.11 in Andersons Fu