《空气动力学基础》课件第9章

空气动力学基础

NorthwesternPolytechnicalUniversity,XI’AN

航天学院·空气动力学教学组2课程内容安排第二章流体力学基本原理与方程第三章不可压理想流体绕物体的流动第四章高速可压缩流基础知识第五章一维定常可压缩管内流动第六章附面层和黏性流动第一章流体力学基础知识第七章绕翼型的低速流动第八章绕翼型的可压缩流动第九章高超声速流动基础知识3课程内容安排第二章流体力学基本原理与方程第三章不可压理想流体绕物体的流动第四章高速可压缩流基础知识第五章一维定常可压缩管内流动第六章附面层和黏性流动第一章流体力学基础知识第七章绕翼型的低速流动第八章绕翼型的可压缩流动第九章高超声速流动基础知识第九章高超声速流动基础知识4§9-2

高超声速相仿律和马赫无关原理§9-3牛顿理论§9-1高超声速流动特点§9-4高超声速飞行器的气动加热和热防护第九章高超声速流动基础知识5§9-2

高超声速相仿律和马赫无关原理§9-3牛顿理论§9-1高超声速流动特点§9-4高超声速飞行器的气动加热和热防护高超声速（Hypersonic）这一名词是钱学森先生提出的。(Ma>5)

高超声速飞行器具有穿越大气层的发射、上升段，大气层外的轨道飞行段,以及再入大气层的返回段的一类飞行器，如卫星，飞船，航天飞机，空天飞机和弹道式导弹等；在大气层内以高超声速飞行的飞机和导弹。

高超声速概念6第九章高超声速流动基础知识§9-1高超声速流动特点1流场非线性性质：2薄的激波层：激波与飞行器表面之间的流动区域——激波层扰动速度小的变化会引起参数剧烈变化，从而流场参数不再是小扰动线化理论了

高超声速流动特征7第九章高超声速流动基础知识§9-1高超声速流动特点3钝体弓形激波引起很大熵梯度：弓形激波正激波熵增量飞行器前缘钝体4无粘流与边界层之间存在强干扰8

高超声速流动特征第九章高超声速流动基础知识§9-1高超声速流动特点3钝体弓形激波引起很大熵梯度：弓形激波正激波熵增量飞行器前缘钝体4无粘流与边界层之间存在强干扰9

高超声速流动特征第九章高超声速流动基础知识§9-1高超声速流动特点10

高超声速流动特征5激波层内高温和真实气体效应强烈压缩导致温度剧增不成立不为常数偏离完全气体假设真实气体效应气动性能气动热电磁环境第九章高超声速流动基础知识§9-1高超声速流动特点11第九章高超声速流动基础知识§9-1高超声速流动特点

高超声速流动特征6严重气动加热气体微团动能热能传热到壁面气动加热高空飞行密度低自由分子流区速度滑移条件温度跳跃条件附面层内气流受阻滞7低密度效应第九章高超声速流动基础知识12§9-2

高超声速相仿律和马赫无关原理§9-3牛顿理论§9-1高超声速流动特点§9-4高超声速飞行器的气动加热和热防护马赫无关13第九章高超声速流动基础知识§9-2

高超声速相仿律和马赫无关原理

高超声速绕流中的激波和膨胀波关系式气流经过斜激波后参数变化马赫无关14第九章高超声速流动基础知识§9-2

高超声速相仿律和马赫无关原理

高超声速绕流中的激波和膨胀波关系式求解舍去负值马赫无关15第九章高超声速流动基础知识§9-2

高超声速相仿律和马赫无关原理

高超声速绕流中的激波和膨胀波关系式气流经过膨胀波后参数变化求解舍去负值由膨胀波前后压强关系16第九章高超声速流动基础知识§9-2

高超声速相仿律和马赫无关原理

高超声速绕流中的激波和膨胀波关系式马赫无关17第九章高超声速流动基础知识§9-2

高超声速相仿律和马赫无关原理激波膨胀波高超声速相仿律高超声速相仿参数气动系数两个放射相似翼剖面

高超声速相仿律马赫无关18第九章高超声速流动基础知识§9-2

高超声速相仿律和马赫无关原理

马赫无关原理引入函数小结：（1）激波、膨胀波后的压强系数取决于，非线性关系；（2）激波膨胀波后的压强系数与无关，马赫无关原理。第九章高超声速流动基础知识19§9-2

高超声速相仿律和马赫无关原理§9-3牛顿理论§9-1高超声速流动特点§9-4高超声速飞行器的气动加热和热防护20第九章高超声速流动基础知识§9-3

牛顿理论牛顿公式②这些质点与物面碰撞后相对于物面的法向动量损失转换为对物体的作用，切向动量不变。假设：①流动介质由一系列均布的、彼此无关的运动质点组成③流体质点不能直接碰撞到表面(称遮蔽面)的压力为零。1687年,牛顿《自然哲学的数学原理》中提出了一种流体动力学理论21第九章高超声速流动基础知识§9-3

牛顿理论牛顿公式法向速度的改变入射到面积为A的板上的质量通量动量改变率牛顿第二运动定律流体动量关系式22第九章高超声速流动基础知识§9-3

牛顿理论牛顿公式二维物体三维物体来流与物面切线方向夹角来流与物面内法线方向夹角背风面23第九章高超声速流动基础知识§9-3

牛顿理论修正牛顿公式是钝头体在正激波后驻点处的压强系数考虑和综合影响（1）该修正不再马赫无关；（2）该修正对钝头体计算比牛顿公式更精确。24第九章高超声速流动基础知识§9-3

牛顿理论绕翼型的空气动力系数表达式（1）平板翼型其他声速线化理论比较25第九章高超声速流动基础知识§9-3

牛顿理论绕翼型的空气动力系数表达式（2）等腰三角形翼型与平板翼型相同

26第九章高超声速流动基础知识§9-3

牛顿理论绕翼型的空气动力系数表达式（3）菱形翼型2627第九章高超声速流动基础知识§9-3

牛顿理论绕翼型的空气动力系数表达式27小结：①翼剖面气动参数取决于，马赫无关②非线性特点③下表面平直构型升阻比较高第九章高超声速流动基础知识28§9-2

高超声速相仿律和马赫无关原理§9-3牛顿理论§9-1高超声速流动特点§9-4高超声速飞行器的气动加热和热防护29第九章高超声速流动基础知识§9-4高超声速飞行器的气动加热和热防护驻点热流计算Fay-Riddell公式球驻点热流量表示边界层外缘柱体驻点热流量绝热壁焓值边界层外缘无黏流总焓值物面焓值Anderson公式头部钝体30第九章高超声速流动基础知识§9-4高超声速飞行器的气动加热和热防护表面热流计算恢复温度壁面温度热交换系数或传热系数单位为焦耳/米2·秒·度

普朗特数摩擦力系数定压比热容重力加速度附面层内密度边界层外缘的速度参考温度31第九章高超声速流动基础知识§9-4高超声速飞行器的气动加热和热防护高超声速飞行器的热防护2选用耐高温的合金材料来制造飞行器的结构部件1选择合理气动外形，减小气动加热量3加隔热和防热装置来减少传给飞行器的热量4大面积防热与关键部位防热5主动防热与被动防热6热结构一体化设计(热密封)32第九章高超声速流动基础知识§9-4高超声速飞行器的气动加热和热防护高超声速飞行器的布局翼/体构型所有前缘都有附体激波，