南京航空航天大学-空气动力学课件第一章

流体力学

FluidMechanics田书玲南京航空航天大学航空宇航学院第一局部什么是流体？有何特征？自然界中物质存在形式：固体液体气体液体和气体统称流体固体、液体和气体放置于密闭容器内：固体保持原有体积和外形；液体保持原有体积，外形适应容器；气体将布满容器。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流体力学流体静力学流体动力学液体动力学气体动力学空气动力学其它力学空气动力学根底局部

〔课程构造〕预备学问偏微分方程、矢量分析场论、在矢量场内的微积分守恒律、热力学定律流体力学根本原理和分析方法无粘不行压流淌Bernoulli方程、位流理论与根本解、K-J定理无粘可压流淌热力学定律、等熵流淌、激波理论、高速管流粘性流淌－边界层理论初步部件空气动力学

〔后续课程构造〕低速翼型理论几何特点、K-J后缘条件、薄翼型理论低速机翼气动特性B-S定律、升力线〔面〕理论亚音速空气动力学小扰动线化理论、薄翼型〔机翼〕气动特性超音速空气动力学薄翼型线化理论、跨音速流淌、超群音速流淌计算流体力学〔CFD〕网格生成、掌握方程解算参考文献徐华舫，《空气动力学根底》，北航版H.Schlichting,Boundarylayertheory,7EdJ.D.Anderson,IntroductiontoFlightE.L.Houghton&P.W.Carpenter,AerodynamicsforEngineeringStudentsG.K.Batchelor,AnIntroductiontoFluidDynamicsD.J.Tritton,PhysicalFluidDynamics:///J.D.AndersonFundamentalsofAerodynamics.第一章流体力学的根底学问根本任务和应用领域流体力学的争论方法流体力学进展概述流体介质的物理特性气动力、力矩及气动力系数矢量和积分掌握体、流体微团以及物质导数第一章流体力学的根底学问根本任务和应用领域流体力学的争论方法流体力学进展概述流体介质的物理特性气动力、力矩及气动力系数矢量和积分掌握体、流体微团以及物质导数流体力学的根本任务流体力学是争论流体与四周物体存在相对运动时的运动规律和力的作用的科学争论对象：与物体相对运动流体探寻流体运动的根本规律争论流体与固体之间的相互作用应用流体力学规律解决工程技术问题猜测流体力学新的进展方向第一章流体力学的根底学问根本任务和应用领域流体力学的争论方法流体力学进展概述流体介质的物理特性气动力、力矩及气动力系数矢量和积分掌握体、流体微团以及物质导数争论流体运动的科学

－－航空航天争论流体运动的科学

－－生物学、仿生学与医学争论流体运动的科学

－－建筑学、风工程By-Postedon03October2023争论流体运动的科学

地球物理、大气动力学、气象学应用领域Thermalfluid;Chemistry;MHD,andetc.第一章流体力学的根底学问根本任务和应用领域流体力学的争论方法流体力学进展概述流体介质的物理特性气动力、力矩及气动力系数矢量和积分掌握体、流体微团以及物质导数主要争论方法试验争论理论分析数值计算试验设备风洞windtunnel80x120ft,NASA”sAmesRes.Center,1999水洞watertank激波管shocktube试验测试技术机械光、电、声、热流淌显示技术试验争论方法试验预备工作要求较高尽可能排解不必要的影响因素可能涉及机械、力学、光学、电子试验结果较为真实、直接、牢靠模型尺寸限制试验边界的影响预备周期长影响因素多，测量过程易受干扰大量的人力和物力消耗理论分析方法流淌的模型化——问题的抽象表达找出主要因素，无视次要因素掌握方程的建立与解算后处理和分析有助于提醒问题的内在规律未计及因素的修正仅适用于简洁问题数值计算方法求解方法多样化有限差分(FDM)、有限元(FEM)、有限体积方法(FVM)、谱方法对常规问题消耗相对较小可用于解算简单流场的流淌计算者必需对精度、稳定性、模型的合理性有清晰的生疏某些流淌难以准确模拟第一章流体力学的根底学问根本任务和应用领域流体力学的争论方法流体力学进展概述流体介质的物理特性气动力、力矩及气动力系数矢量和积分掌握体、流体微团以及物质导数流体力学进展概述〔-1800〕I.Newton，船舶的阻力,1726D.Bernoulli,Hydrodynamica,1738L.Euler,不行压无粘流淌方程组，1755D’Alembert疑题,1744Lagrange,流体动力学解析方法的提出DanielI.Bernoulli(1700-1782)LeonhardPaulEuler(1707-1783)JeanleRondd”Alembert(1717

–1783)流体力学进展概述〔1800-〕Siméon-DenisPoisson(1781–1840)Pierre-Simon,marquisdeLaplace(1749-1827)Poisson,解决了绕球的无旋流淌,1826Laplace,Laplace方程,1827Rankine,奇点法解Laplace方程，位流理论，1868Helmholtz,漩涡运动理论，流淌稳定性William

JohnMacquornRankine(1820–1872)HermannLudwigFerdinandvonHelmholtz(1821–1894)

流体力学进展概述〔1800-〕Navier-Stokes,粘性流体的一般方程,1826,1845O.Reynolds,湍流,1876-1883,Reynolds平均方程,1895Rankine(1870)-Hugoniot(1887)激波关系式Wright,Flyer-1,1903Kutta-Joukowski(1906)升力公式Claude-LouisNavier(1785–1836)SirGeorgeGabrielStokes1stBaronetFRS(1819–1903)OsborneReynolds(1842–1912)NikolaiY.Zhukovsky(1847–1921)MartinWilhelmKutta(1867-1944)流体力学进展概述〔1800-〕Prantdl,边界层理论,1904;升力线理论,1918-1919湍流边界层的混合长模型,1925;Tollmien(1929)-Schlichting(1933),T-S不稳定性VonKarman积分关系式VonKarman-Tsien公式，1944LudwigPrandtl(1875–1953)WalterTollmien

(1900-1968)HermannSchlichting(1907-1982)TheodorevonKármán(1881–1963)钱学森(1911-2023)第一章流体力学的根底学问根本任务和应用领域流体力学的争论方法流体力学进展概述流体介质的物理特性气动力、力矩及气动力系数矢量和积分掌握体、流体微团以及物质导数流体介质的物理特性连续介质假设流体流淌的相关物理量完全气体状态方程压缩性、粘性和传热性流体的模型化连续介质假设分子平均自由程λ和物体特征尺寸d自由分子流/非连续流淌λ和d在同一量级连续流淌continnumflowλ<<d低密度流淌连续介质假设流体介质的物理特性连续介质假设流体流淌的相关物理量完全气体状态方程压缩性、粘性和传热性流体的模型化流淌相关的物理量密度Density压强Pressure温度Temperature速度Velocity流体的密度流体微团在连续介质的前提下流场中任取一点B其密度为dv微团体积dm微团质量流体的压强气体分子在碰撞或穿过取定的外表时，单位面积上所产生的法向力该点压强为dA微团面积元的大小dFdA一侧的法向力流体的温度气体温度T的热力学意义高温气体的分子和原子高速随机碰撞，而在低温气体中，分子随机运动相对缓慢些EK气体分子平均动能kBoltzmann常数流体的速度不同于刚体力学的概念流体在空间中某点B的速度就是流体微元通过点B时的速度流体介质的物理特性连续介质假设流体流淌的相关物理量完全气体状态方程压缩性、粘性和传热性流体的模型化完全气体状态方程一般气体状态方程完全气体分子间作用力无视不计假设分子间仅存在完全弹性碰撞且只有在碰撞时才发生作用微粒的实有总体积和气体所占空间相比无视不计完全气体状态方程：流体介质的物理特性连续介质假设流体流淌的相关物理量完全气体状态方程压缩性、粘性和传热性流体的模型化流体的压缩性压缩性体积弹性模量肯定质量的气体，体积与密度成反比水和低速空气可看作是不行压的流体的粘性Viscous1.aviViscous2.avi流体的粘性气流速度分布规律是粘性的表现，具有速度梯度的相邻流层，存在相互牵扯作用，这种作用力称作粘性力和内摩擦力。空气粘柱试验模型〔卧式转盘〕流体的粘性流体分子的不规章热运动质量和动量的交换牛顿粘性定律思考：物体受绕流哪些作用力？流体的粘性μ为动力粘性系数，表征流体粘度大小气体μ随温度上升而增大液体μ随温度上升而减小适用于空气的萨瑟兰公式运动粘性系数kinematicviscosity与压强根本无关流体的热传导特性Fourier公式单位时间内通过单位面积所传递的热量与沿热流方向的温度梯度成正比λ—导热系数—温度为问题温度方向梯度〔导数〕流体介质的物理特性连续介质假设流体流淌的相关物理量完全气体状态方程压缩性、粘性和传热性流体的模型化流体的模型化流体具有多方面的物理属性考虑全部物理属性，问题特别简单关注主导物理属性，无视次要物理属性依据实际流淌问题，简化出各种流体模型流体流淌的不同范畴流淌速度〔Mach数〕亚、跨、超、超群音速可压缩性不行压、可压粘性无粘、有粘热传导绝热流淌、等温流淌绝热表示流淌不考虑热传导或导热系数为零抱负流体模型抱负流体不考虑粘性，也称无粘流体典型适用状况绕流图画升力问题失效范围及缘由不行压流体模型密度无变化、弹性模量极大、低速空气热力学特性可单独考虑常见模型流淌可压粘性流淌可压抱负流体模型〔无粘可压流淌〕不行压粘性流淌无粘不行压流淌〔最为简洁〕绝热流体模型绝热流体不考虑热传导性，热传导系数为零典型适用状况低速流淌高速流淌，但温度梯度较小超群声速流淌综合争论粘性流动无粘流动可压流动不可压流动非绝热流动绝热流动非定常流动定常流动第一章流体力学的根底学问根本任务和应用领域流体力学的争论方法流体力学进展概述流体介质的物理特性气动力、力矩及气动力系数矢量和积分掌握体、流体微团以及物质导数作用于航空器上的气动力C-130安－225翼型族翼型族作用于翼型上的气动力px0迎角正压力摩擦应力弦向不同坐标系下的气动力体轴系与风轴系升力与阻力〔风轴系〕轴向力与法向力〔体轴系〕体轴系下的气动力问题：下翼面dN’与dA’如何表达？Figure1.11inAnderson’sFundamentalsofAerodynamics,3rdEd.体轴系下的气动力Figure1.12inAnderson’sFundamentalsofAerodynamics,3rdEd.,2023体轴系下的气动力矩Here作用在物面上的气动力与力矩是物面