气体动力学基础

气体动力学基础第1页，共36页，2023年，2月20日，星期一引言气体动力学发展的四大阶段第2页，共36页，2023年，2月20日，星期一第一阶段（气体动力学的基础阶段）工程应用背景：蒸汽机和爆炸技术1870年郎金——雨贡纽导出了激波关系1882年瑞典工程师发明了拉伐尔喷管1887年马赫导出了马赫角关系，之后斯托道拉、普朗特和迈耶先后实验研究了拉伐尔喷管的流动特性。第3页，共36页，2023年，2月20日，星期一第二阶段（可压缩流体动力学的发展阶段）1908年普朗特和迈耶提出了激波和膨胀波理论1910年瑞利和泰勒研究得出了激波的不可逆性；1933年泰勒和马科尔提出了圆锥激波的数值解第4页，共36页，2023年，2月20日，星期一第三阶段：气体热力学的发展阶段（20世纪30年代中50年代末）1935年召开讨论了关于“航空中的高速流动问题”的学术大会，表明了流体力学先驱者对高速问题的关注和重视。之后，由于以喷气飞机、涡轮喷气发动机、火箭发动机等为背景的工程问题发展的需求，将空气动力学与热力学相结合，这个时期为气体热力学的发展阶段，其特点是在完全气体假设下的气体动力学理论和实验逐渐成熟。第5页，共36页，2023年，2月20日，星期一第四阶段：气体热化学和CFD的发展阶段（20世纪50年代末至今）

为了解决航天飞行器、高速飞行器的气动力和气动热问题，解决高温流动问题，必须将化学热力学、空气动力学、化学动力学及统计物理学等相结合。其研究背景为空间技术和战略武器。目前高超声速飞行器的研究仍然是世界各国研究的热点．计算流体动力学的发展以惊人的速度取得了举世瞩目的成就。因而可以借助计算机解决历史上遗留下来的一些难题，从而进一步解决与目前发展相适应的一系列复杂问题．第6页，共36页，2023年，2月20日，星期一最早推导出激波的科学家朗金第7页，共36页，2023年，2月20日，星期一流体运动的旋转和速度势概念的起源

斯托克斯与亥姆霍兹第8页，共36页，2023年，2月20日，星期一《气体动力学基础》的内容简介

1.流体的基本属性及热力学特性2.流体所遵循的运动规律3.流体与流体，流体与物体之间的相互作用（作用力）第9页，共36页，2023年，2月20日，星期一本课程的特点理论性强概念多内容多公式多第10页，共36页，2023年，2月20日，星期一教学要求及考核方式

作业10分期末考试80分平时成绩：10分（课堂主动发言者，酌情加分，累计最高10分）第11页，共36页，2023年，2月20日，星期一《气体动力学基础》参考书

流体力学｛美｝W.F.修斯J.A.布赖顿著气体动力学基础潘锦珊主编热力学与气体动力学基础王新月主编流体力学基础邢宗文主编

MODERNCOMPRESSIBLEFLOWJohnD.Anderson,Jr.第12页，共36页，2023年，2月20日，星期一几种构形的发动机

及其工作原理涡轮喷气发动机：进气道．压气机．燃烧室．涡轮．尾喷管各部件的作用：第13页，共36页，2023年，2月20日，星期一涡轮风扇发动机一路通过内涵道的压气机．燃烧室．涡轮．尾喷管另一路通过外涵风扇．外涵尾喷管脉冲爆震发动机:应用于火箭、应用于飞机第14页，共36页，2023年，2月20日，星期一冲压发动机：

进气道，燃烧室．尾喷管第15页，共36页，2023年，2月20日，星期一两种发动机的比较第16页，共36页，2023年，2月20日，星期一强大的工具—CFD数值模拟管内流动非定常虚拟演示马赫数压强第17页，共36页，2023年，2月20日，星期一第一章流体的基本属性

1.1流体的基本属性

1.2流体的压缩性与膨胀性

1.3流体的粘性

1.4高温气体的属性

1.5流体的导热性第18页，共36页，2023年，2月20日，星期一§1.1流体的基本属性第19页，共36页，2023年，2月20日，星期一连续介质模型定义:把气体看作是连绵不断地充满整个空间的、不留任何空隙的连续介质。分子间隙连续介质第20页，共36页，2023年，2月20日，星期一§1.2流体的粘性

虚拟演示粘性演示PLAY

定义：在流动的流体中，如果各流体层的流速不相等，那么在相邻的两流体层之间的接触面上，就会形成一对等值而反向的内摩擦力（或粘性阻力）来阻碍两气体层作相对运动。即流体质点具有抵抗其质点作相对运动的性质，就称为流体的粘性。第21页，共36页，2023年，2月20日，星期一粘性举例譬如看看河中的流水，观察水面上漂浮的树叶等物的速度差别可以发现靠岸处的水流就比河中心的水流慢些。这是典型的粘性影响.摩擦盘也是粘性力在起作用。第22页，共36页，2023年，2月20日，星期一粘性产生的物理原因分子不规则运动的动量交换分子间的吸引力第23页，共36页，2023年，2月20日，星期一牛顿内摩擦定律

上式适合于流体作层状运动的情况；当dV/dy=0，或=0时,=0；切应力的方向为：当流体层被快层带动时，的方向与运动方向一致，当流体层被慢层阻滞时，的方向与运动方向相反。上式称为牛顿内摩擦定律。遵守牛顿内摩擦定律的流体称为牛顿流体，如水、空气和气体等本质上都是牛顿流体；明胶，沥青等为非牛顿流体。第24页，共36页，2023年，2月20日，星期一影响粘性系数因素

与流体有关与温度有关：液体：T升高，粘性系数减小；气体：T升高，粘性系数增大；与压强有关：P不很高时，影响小，可忽略；

P很高时，需要考虑影响。对液体，按下式修正;粘性系数的获取方法：试验；查流力手册；经验公式液压用油＝1/432是压强为0.1013MPa时的粘性系数；是压强为p时的粘性系数;

第25页，共36页，2023年，2月20日，星期一混气的粘性系数即速度梯度有多种气体组成的混合气体

速度梯度意义为剪切变形角速度第26页，共36页，2023年，2月20日，星期一基本概念附面层（边界层）的概念理想流体第27页，共36页，2023年，2月20日，星期一各种流体的切应力的斜率

t

塑性流体牛顿流体涨塑性流体假塑性流体dv/dy第28页，共36页，2023年，2月20日，星期一§1.3流体的导热性导热的三种方式：热传导；热对流；热辐射第29页，共36页，2023年，2月20日，星期一傅立叶定律式中，n是表面的法线方向是沿法线方向的温度梯度

是导热系数第30页，共36页，2023年，2月20日，星期一§1.4高温气体的属性当T<600800度时，空气可以认为是完全气体。

2.600K800K<T<2000K时，分子振动自由度被激发，但是化学反应还末开始，

Cp,Cv，k是温度的函数，Cv=Cv(T),Cp=Cv+R=Cp(T)

空气2000<T<9000度时氧分子和氮分子先后产生离解；此外空气还产生化学变化

T>9000度，会发生电离。第31页，共36页，2023年，2月20日，星期一完全气体比热比的变化T600K2000K第32页，共36页，2023年，2月20日，星期一完全气体量热完全气体热完全气体为常数；第33页，共36页，2023年，2月20日，星期一举例【例1】一块可动平板和另一块不动平板之间为某种流体，两平板间的距离为0.5mm，可动板若以0.25m/s的速度移动，为了维持这个速度需要单位面积上的作用力为2N/m2,求这两块平板间流体的粘度。解：当两平板间的距离很小时，可以认为平板间流体的流动速度分布为线性=V/hF=•A=(F/A)•(h/V)=0.004N•s/m2第34页，共36页，2023年，2月20日，星期一【例2】转轴直径d=0.36m，轴承长度l=1m，轴与轴承之间的缝隙宽度=0.2mm其中充满=0.72Pa•s的油，若轴的转速n=200r/min，求克服油的粘性阻力所消耗的功率。

【解】由驱动力矩=阻力力矩得到1(2r1l)r1=2(2r2l)r2

再由=dV/dy

则得(dV/dy)1=(dV/dy)2•(r2/r1)2因为缝隙很小，近似认为r1=r2，速度成线性分布即速度梯度为dV/dy=V/其中，粘附于轴表面的油的运动速度V等于轴表面的周向速度，即

V=dn/60=•0.