关于现代空气动力学基础理论的思考ppt课件

1、关于现代空气动力学关于现代空气动力学根底实际的思索根底实际的思索吴介之吴介之北京大学力学与空天技术系北京大学力学与空天技术系湍流与复杂系统国家重点实验室湍流与复杂系统国家重点实验室 2006.5n根底空气动力学含内、外流以及水动力学的义务是开展实际方法、实验技术和计算手段，为运用空气动力学研发各种气动构形含内、外流以及水动力学构形、提高它们的性能效力。n这里就根底空气动力学实际的开展问题谈几点浅见，向大家讨教。n这些思索是近年来撰写论文和与审稿人的争论中逐渐构成的。n内容n空气动力学与流膂力学n经典空气动力学的实际战略n现代空气动力学的实际战略n结语1、空气动力学与流膂力学、空气动力学与流膂力

2、学n作为流膂力学的一个运用分支，每个时代的空气动力学、尤其是其根底实际的开展，都推进当时流膂力学的实际开展，又反过来建立在其成就之上。每个时代流膂力学的实际局限也必然是该时代空气动力学的实际局限。 n近代流膂力学阅历的几次主要开展都集中表现于每个时代的代表著作中。n在西方，第一代著作以Lamb的Hydrodynamics18791932为代表，重点处置无粘不可压势流，加上Helmholtz1858; 英译本：1868和Kelvin1869的涡与环量的实际。n随后，有了处置紧缩性效应的无粘无旋气体动力学，包括一维无粘可紧缩等熵流实际、二维轴对称双曲型方程特征线实际和无粘激波实际，反映在Liepm

3、ann & Roshko的Elements of Gas Dynamics (1957) 等著作之中。 n第二代著作以Batchelor的An Introduction to Fluid Dynamics (1967)为代表，它与Lamb和Liepmann-Roshko不同，集中处置粘性不可压有旋流。这两个方面，就是我们常说的胀压和剪切两个流体运动根本过程。n湍流问题还没有处理，有很多佳作，但选不出一本最权威的代表作。n可否这样估计：第三代著作将处置粘性可紧缩有旋流，其实际根底该当是胀压过程和剪切过程的分解与耦合。n内流中压力波声波、激波与涡量波在流场内部和固壁上的闭环耦合是个典型例子

4、王明皓。n这种耦合在火箭发动机熄灭稳定性中有重要运用。Experiment on combustion instability in rocket motor (from Flandro 2006)Nonlinear instability theory prediction (Flandro 2006)显然是剪切和胀压过程的耦合效应显然是剪切和胀压过程的耦合效应2、经典空气动力学的实际战略、经典空气动力学的实际战略n CFD 和 PIV 之前的空气动力学可称为经典空气动力学。实际开展的独一战略是建立尽能够简化的数学模型并求出解析解实际模化童秉纲的近似实际。n最了不起的实际模化范例是100年前

5、的环量实际。n低速空气动力学赖以构成的实际全在Lamb的书中。内流依托的无非是一维无粘管流的不可压Bernoulli方程。外流那么在20年18941914内作出了令人眼花缭乱的奇观dazzling developments, J. C. Wu 2005。这20年的飞跃开展是后来再也没有过的。nKutta 和Joukowski通畅钻了二维绕固体的势流场为多连通域这个空子，在势流中引入不确定的环量并证明它正比于升力，再用一个条件使环量独一确定，从而建立了有明晰物了解释的翼型实际 倘假设他们一开场就研讨三维机翼，又将如何？。nLanchester和Prandtl 通畅能仅仅根据Helmholtz涡定

6、理和Kelvin环量定理，构思出三维机翼产生的整个涡系并把Kutta-Joukowski二维实际嵌入三维升力线实际之中，得出最小诱导阻力机翼的平面外形，而无需求解三维流体运动方程。nPrandtl依托对近壁流动的物理洞察力得到边境层实际，使人们能对环量、摩阻、全部定常机翼涡系、因此全部升、阻力的来源作出一致的解释。nvon Karman承继了低速空气动力学实际模化的传统，主导了高速内外流空气动力学的诞生，它的流膂力学实际根底全在Liepmann & Roshko的书中。n经典实际模化战略的主要适用范围：经典实际模化战略的主要适用范围：n流线形物体的无粘附着流加边境层修正；流线形物体的无

7、粘附着流加边境层修正；n定常或小振幅周期流；定常或小振幅周期流；n线性近似少量弱非线性摄动。线性近似少量弱非线性摄动。n这样得到的气动构形是第一代航空流型：附着这样得到的气动构形是第一代航空流型：附着流型流型Kuchemann 1978。n胜利的实际模化来自对流动机理的深化洞察。胜利的实际模化来自对流动机理的深化洞察。基于不正确物理了解的实际模化缺乏生命力基于不正确物理了解的实际模化缺乏生命力如如Helmholtz-Kirchhoff用定常自在流线实用定常自在流线实际解释阻力。际解释阻力。 n有一种广为接受的观念：空气动力学的根底实际业已成熟，没什么可开展的了。假设这指的是经典空气动力学，那是

8、对的。人们停顿在无粘附着流小扰动实际和边境层实际的简单迭加这种框架中已达半个世纪。这种停顿是历史的必然。n随着CFD的开展，很多5、60年代时髦的解析解已如过眼烟云，只剩下历史价值。n然而，假设这种观念指的是整个空气动力学定常、尤其是非定常，那是错的。分别流空气动力学迄今尚未完成。本质的困难在于涡运动的高度非线性。 n60年代以来，人们对流体运动的丰富形状，如定常与非定常分别、激波边境层干扰、分别流、流动稳定性、涡破裂、转捩、湍流等等的认识都大大深化了。流膂力学根底领域出现了一系列阐明复杂物理景象的重要实际成果。n但是，由于这些运动高度的复杂性和非线性，在经典战略的框架内，流膂力学的成果在分别

9、流空气动力学中不能够得到完好的实际反映。根底空气动力学家不得不回到根底流膂力学，逐一掌握大量有关复杂流动的知识，再用来开展新的气动构形并优化其性能。n上述情况提出了一个根本性的问题：现代空气动力学根底实际需求干什么？能干什么？向何处去？n下面，试图对这些问题作些讨论，希望引起讨论。3、现代空气动力学的实际战略、现代空气动力学的实际战略n对于高度非定常、非线性、非附着流，实际方法不能够产生第一代空气动力学那种近似有效的解析解。在CFD和PIV时代，至少在原那么上可以得到全流场信息，也没必要刻意寻觅那种解析解。n然而，不能因此就以为，现代空气动力学只需求两头：一头是根本方程，另一头是现代实验丈量和

10、大规模计算得到的海量数据。两头之间其实有宏大空白，仍只需实际可以填补。n空气动力学从来不等于根本方程和流场数据的简单组合。如今，人们至少在以下方面迫切需求实际的指点： n给出严厉、准确、广泛适用的气动力性能表达式，它们能直指性能的物理根源，并作为导出各种近似公式的根底。n在海量数据中提取出对构形气动力性能有直接奉献的流动构造，获得深化的物理认识，好像经典实际中的环量和涡系那样，并反过来指点气动力性能的改良、优化和控制；n为用实验丈量得出构形气动力性能所需求的高精度、高可行性方法包括指点实验手段本身的开展提供实际根底。n现代空气动力学该当也可以开展准确的实际来研发和优化新的气动构形。n空气动力学

11、从经典向现代的开展，要求实际构造和特征的转型：跳出小扰动的限制，丢弃寻觅解析解的不能够义务，转入提供最具物理洞察力的、针对所需气动性能的、解读数据的准确实际整体和部分，而把求解流场的义务交给CFD和实验。n当然，经典战略在假设干情况下依然很有用，任何可以做实际模化的时机都不应放过田方宝。n解读数据的准确实际在现代流膂力学各根底研讨领域如稳定性、转捩、湍流、控制曾经成为主流。n就积分气动性能而言，低速或不可压空气动力学、包括生物外流力学的转型，始于吴镇远1981的涡量矩实际。它适用于推出任何刚性或变形物体包括另一种流体，甚至同一种流体的一个物质团，如一个孤立的涡环在不可压流体中作恣意运动或变形时

12、所受的力和力矩，同时提示出这些力和力矩只依赖于物体运动产生的涡量场的一阶及二阶矩的变化率，其中尤其包括物体加速运动引起的表观质量力，它历来被以为是纯势流效应。n经典空气动力学实际是涡量矩实际在简化的近似假设下的直接特例。n普通情况下，运用这些实际需求知道涡量场的运动。除简化情况外，这种知识靠计算或实验提供。n以后1/4个世纪，在涡量矩实际的启发带动下，陆续出现了另一些方式的、用涡量表述的空气动力学实际，例如边境涡量流实际、有限域涡量矩实际、普通导数矩实际陆夕云、杨延涛、投影实际，等等，涡量矩实际本身也得到检验和提炼吴镇远。n这些实际相互包容，相互补充，从涡量场演化的不同侧面展现了外流空气动力的

13、同一物理来源，各有本人方便的运用。n有限域涡量矩实际Noca et al. 1999由于能用PIV数据推算合力，引发了一系列论文上述第三项义务。n借用吴镇远的命名，这些实际的有机结合可称为涡量空气动力学。这套实际的出现及其在各种问题中的初步运用，标志着低速空气动力学突破了传统的定常附着流小扰动实际框架，预示着现代空气动力学实际根底的一致雏形正在构成。n将在研讨复杂构形非定常分别流和开展优化构形中起指点作用。吴锤结小组的三维鱼游尾流模拟吴锤结小组的三维鱼游尾流模拟用用Jeong & Hussain判据显示判据显示n高速空气动力学也有实际转型的义务，以准确给出物高速空气动力学也有实际转型的

14、义务，以准确给出物理意义最明晰的气动力性能实际为目的。该当以粘性理意义最明晰的气动力性能实际为目的。该当以粘性可紧缩有旋流膂力学为根底，中心问题是两个根本流可紧缩有旋流膂力学为根底，中心问题是两个根本流体动力学过程的分解与耦合。体动力学过程的分解与耦合。n思索到超高速飞行中的传质、传热、化学反响、多相、思索到超高速飞行中的传质、传热、化学反响、多相、稀薄、微尺度等效应，还要研讨流体运动过程与非平稀薄、微尺度等效应，还要研讨流体运动过程与非平衡热力学过程和化学反响过程的分解与耦合。衡热力学过程和化学反响过程的分解与耦合。n现实上，上述涡量空气动力学实际的不同表述中，有现实上，上述涡量空气动力学实际的不同表述中，有些曾经能直接推行到可紧缩流，直接显示两个根本流些曾经能直接推行到可紧缩流，直接显示两个根本流体动力学过程的分解与耦合对构形性能的影响，并在体动力学过程的分解与耦合对构形性能的影响，并在跨超音速复杂内外流诊断航空发动机压气机、乘波跨超音速复杂内外流诊断航空发动机压气机、乘波飞机和构形设计压气机转子叶片中得到初步运飞机和构形设计压气机转子叶片中得到初步运用。因此，这个转型过程也已初露头角。用。因此，这个转型过程也已初露头角。 一个全机标模非定常可紧缩分别流在M=0.5的Lattice-Boltzmann 数值模拟北大对流