《空气动力学资料》ppt课件

1、流 体 力 学 Fluid Mechanics张震宇南京航空航天大学航空宇航学院第一部分简介简介n空气动力学空气动力学 (Aerodynamics) n课程类别课程类别 ：必修课：必修课 n面对航空类本科生的专业根底课程面对航空类本科生的专业根底课程n42学时学时第一部分课程构造第一部分课程构造n预备知识预备知识n偏微分方程、微积分、矢量分析、场论偏微分方程、微积分、矢量分析、场论n守恒律、热力学定律守恒律、热力学定律n根本原理根本原理n空气动力学、流膂力学空气动力学、流膂力学n无粘不可压流动无粘不可压流动nBernoulli Bernoulli 方程、位流实际、根本解、方程、位流实际、根本解

2、、K-JK-J定理定理n无粘可压流动无粘可压流动n热力学定律、等熵流动、激波实际、高速管流热力学定律、等熵流动、激波实际、高速管流第二部分课程构造此处从略第二部分课程构造此处从略n低速翼型实际低速翼型实际n几何特点、几何特点、K-JK-J后缘条件、薄翼型实际后缘条件、薄翼型实际n低速机翼气动特性低速机翼气动特性nB-SB-S定律、升力线面实际定律、升力线面实际n亚音速空气动力学亚音速空气动力学n小扰动线化实际、薄翼型机翼气动特性小扰动线化实际、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薄翼型线化实际、跨音速流动、高超音速流动薄翼型线化实际、跨音速流动、高超音速流动n计算流膂力学计算

3、流膂力学CFDCFDn网格生成、控制方程解算网格生成、控制方程解算背景阅读背景阅读n徐华舫，徐华舫，北航版，北航版nH. Schlichting, Boundary layer theorynJ.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 Dynamicsnmath

4、world.wolfram/第一章第一章 流膂力学的根底知识流膂力学的根底知识n根本义务和研讨方法根本义务和研讨方法n流膂力学及空气动力学开展概述流膂力学及空气动力学开展概述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讨流体运动的科学研讨流体运动的科学研讨流体运动的科学研讨流体运动的科学研讨流体运动的科学研讨流体运动的科学Tacoma Narrows Bridge， 1940 研讨流体运动的科学研讨流体运动的科学流膂力学的根本义务流膂力学的根本义务n研讨对象：流体和固体

5、间的相对运动研讨对象：流体和固体间的相对运动n探寻流体运动的根本规律探寻流体运动的根本规律n研讨流体与固体之间的相互作用研讨流体与固体之间的相互作用n运用流膂力学规律处理工程技术问题运用流膂力学规律处理工程技术问题n预测流膂力学新的开展方向预测流膂力学新的开展方向运用领域运用领域n飞行器、船舶设计飞行器、船舶设计n建筑设计、土木工程建筑设计、土木工程n热能工程、传热学热能工程、传热学n热化学流膂力学热化学流膂力学n生物流膂力学生物流膂力学n磁流膂力学磁流膂力学主要研讨方法主要研讨方法n实验研讨实验研讨n实际分析实际分析n数值计算数值计算实验设备实验设备风洞风洞 wind tunnel水洞水洞

6、water tank激波管激波管 shock tube实验测试技术实验测试技术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讨方法实验研讨方法n实验结果较为真实、直接、可靠实验结果较为真实、直接、可靠n限制要素限制要素n模型尺寸限制模型尺寸限制n实验边境的影响实验边境的影响n丈量过程的干扰丈量过程的干扰n大量的人力和物力耗费大量的人力和物力耗费实际分析方法实际分析方法n流动的模型化流动的模型化问题的笼统表达问题的笼统表达n找出主要要素，忽略次要要素找出主要要素，忽略次要要素n控制方程的建立与解算控制方程的建立与解算n后处置和分析后处置和分析n未计及要素的修正未计及要素的

7、修正n有助于提示问题的内在规律有助于提示问题的内在规律n仅适用于简单问题仅适用于简单问题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)(FDM)、有限元、有限元(FEM)(FEM)、有限体、有限体积方法积方法(FVM)(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精度、稳定性、模型合理化精度、稳定性、模型合理化流膂力学开展概述流膂力学开展概述-1800Daniel I. Bernoulli (1700-1782)流膂力学开展概述流膂力学开展概述-1800Leonhard Paul

8、Euler (1707-1783)Jean le Rond dAlembert (1717 1783) 流膂力学开展概述流膂力学开展概述1800- Simon-Denis Poisson (1781 1840) Pierre-Simon, marquis de Laplace (1749 - 1827)流膂力学开展概述流膂力学开展概述1800- William John Macquorn Rankine (18201872) Potential/flow functionSingular method/shock relationsHermann Ludwig Ferdinand von He

9、lmholtz(1821 1894) Vortex theory，Hydro-stability流膂力学开展概述流膂力学开展概述1800- Claude-Louis Navier (1785 1836)Sir George Gabriel Stokes, 1st Baronet FRS (18191903)流膂力学开展概述流膂力学开展概述1800- Osborne Reynolds (18421912) Nikolai Y. Zhukovsky (1847 1921)K-J theorem 流膂力学开展概述流膂力学开展概述1800- Martin Wilhelm Kutta(1867-1944

10、) Ludwig Prandtl (1875 1953)流膂力学开展概述流膂力学开展概述1800- Walter Tollmien (1900-1968)cordula-tollmien.de/genealogie.htmlHermann Schlichting (1907-1982)流膂力学开展概述流膂力学开展概述1800- Theodore von Krmn(1881 1963)钱学森(1911- )流体介质的物理特性流体介质的物理特性n延续介质假设延续介质假设n流体的密度、压强和温度流体的密度、压强和温度n完全气体形状方程完全气体形状方程n紧缩性、粘性和传热性紧缩性、粘性和传热性n流体的

11、模型化流体的模型化延续介质假设延续介质假设n分子平均自在程分子平均自在程n自在分子流自在分子流/非延续流动非延续流动n低密度流动低密度流动n延续流动延续流动 continnum flow (lL)n延续介质假设延续介质假设流动相关的物理量流动相关的物理量流体的密度流体的密度dvdmdv0limdvdm流体的压强流体的压强dAdFdAdFpdA0lim流体的温度流体的温度kTKE23KEk流体的速度流体的速度StreamlineABFluid element完全气体形状方程完全气体形状方程),(TppRTp流体的紧缩性流体的紧缩性VdVdpE/ddpE VdVd流体的粘性流体的粘性nu流体的粘性

12、流体的粘性CTCT15.28815.2885 . 10空气粘柱实验模型卧式转盘nvvAA空气粘性实验流体的粘性流体的粘性流体的粘性流体的粘性流体的热传导特性流体的热传导特性nTq 流体流动的不同范畴流体流动的不同范畴nMach数n亚、跨、超、高超音速n可紧缩性n不可压、可压n粘性n无粘、有粘n热传导n绝热流动、等温流动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00const0tVpx0VcossinsincosANDANLuuuuuuuudspdAdspdN)cossin()sincos(Figure 1.11 in Andersons Fundamentals of Aerodyn

13、amics, 3rd Ed.TELElllTELEuuuTELElllTELEuuudspdspAdspdspN)cossin()cossin()sincos()sincos(Figure 1.12 in Andersons Fundamentals of Aerodynamics, 3rd Ed., 2001TELElTELEulllllluuuuuudMdMMdsypxpdMdsypxpdM)cossin()sincos()cossin()sincos(Hereccyyyxxx,dsdx-dysincosuuuudsdydsdxTELEluTELElluuTELElluuTELEuldxd

14、xdxdypdxdypAdxdxdydxdydxppN)()()()(221VqSqFCFSlqMCMqppCpqCf)()()()(1)()(1)()(10,0,0,0,2,0,0,0,0,cllfllpcuufuupcuufllfclpupLEmcllpuupcuflfacuufllfcuplpndxyCdxdyCdxyCdxdyCxdxdxdyCdxdyCxdxCCccdxdxdyCdxdyCdxCCccdxdxdyCdxdyCdxCCcccossinsincosandanlccccccNMxLEcpFor c/444/LxMLcMcpcLE44/LMcxccp),(trqq),(trVVCBACBAABBA)()(CABACBAABABBAbaBAii)(cosCABACBAABABBA)(sin321321321bbbaaaeeeBACBACBACBACBABACACBCBA)()()()()()()(constrp)(pPNleMpp nemaxledldppnpdsdpsdpdpzpypxpp,),(zprprpp)sin1,(prrprppVVdivzVyVxVzyxzVVrrrVrzr1)(1VrVrrVrrrsin1)sin(sin