《空气动力学cha》课件

空气动力学空气动力学是研究物体在气体中运动时所产生的各种现象及其规律的学科。它涉及流体动力学、热力学、声学等多个领域，并广泛应用于航空航天、汽车、建筑等行业。课程大纲绪论介绍空气动力学定义、研究对象和应用领域，为学习打下基础。基础物理概念阐述流体的基本性质、压力和流速、黏性和湍流等关键概念。流体流动定律介绍连续方程、动量定律和能量定律，揭示流体运动规律。翼型气动力学深入探讨翼型基本概念、气动力系数和无量纲参数分析。一、绪论绪论是课程的开篇，介绍空气动力学的基本概念、研究对象和应用领域。绪论部分将为学生提供对空气动力学的整体认识，奠定学习的基础。1.1空气动力学定义研究流体运动空气动力学是研究物体在空气中运动时，空气对物体产生的力的学科。空气动力学主要研究空气对物体的作用力，包括升力、阻力、侧向力、俯仰力矩、滚转力矩和偏航力矩等。应用广泛空气动力学在航空、航天、汽车、建筑、风能等领域都有广泛的应用。例如，飞机的飞行、火箭的发射、汽车的空气阻力、建筑物的抗风性等都与空气动力学密切相关。1.2研究对象飞机空气动力学主要研究飞机和其他飞行器在空气中的运动，例如翼型、机身、尾翼等的设计和分析。导弹导弹是利用空气动力学原理实现飞行和制导的武器系统，涉及气动外形设计、稳定性控制和飞行轨迹预测。汽车汽车在高速行驶时会受到空气阻力的影响，空气动力学可以帮助优化车身设计，降低阻力，提高燃油效率。风力发电风力发电机叶片的设计要考虑空气动力学原理，以最大限度地利用风能，提高发电效率。1.3应用领域11航空航天领域：包括飞机、导弹、卫星等设计和制造。22汽车行业：汽车的外形设计、风阻减小和燃油效率提升。33建筑工程：桥梁、高层建筑的抗风性能分析和设计。44环境科学：空气污染物扩散和气象预报等领域。二、基础物理概念空气动力学涉及许多基础物理概念，理解这些概念对于深入学习空气动力学至关重要。2.1流体的基本性质密度是单位体积内的质量，反映了流体的紧密程度。黏性表示流体内部抵抗流动的能力，影响流体流动时的摩擦力。压缩性是指流体在压力变化下体积改变的程度，影响流体在高速流动时的特性。表面张力是液体表面发生收缩的趋势，影响流体与固体之间的接触行为。2.2压力和流速静态压力液体内部由于重力作用而产生的压力称为静态压力。动态压力流体运动产生的压力称为动态压力，与流速平方成正比。压力与流速的关系流体速度增加，压力降低，反之亦然，遵循伯努利原理。2.3黏性和湍流黏性流体内部的分子相互作用力，使流体产生内摩擦力。湍流流体运动的无序状态，表现为随机的漩涡和混合。影响因素流体的性质、流动速度和几何形状等因素影响黏性和湍流。三、流体流动定律流体流动定律是空气动力学的基础，描述了流体运动的规律和特点。这些定律是通过牛顿定律和质量守恒定律推导出来的，并被广泛应用于航空器设计、风力发电等领域。3.1连续方程质量守恒连续方程是流体力学中最重要的基本方程之一，它描述了流体在运动过程中的质量守恒定律。该方程表明，流体在流动的过程中，其质量不会凭空消失或产生。流体密度连续方程通常用数学表达式表示，该表达式将流体的密度、速度和时间与流体流动区域的形状联系起来。连续方程是流体力学中许多其他问题的基础，例如气动力的计算。3.2动量定律1牛顿第二定律描述流体运动状态变化与所受合外力的关系。2动量变化率流体动量随时间变化，反映了流体速度或质量变化。3动量守恒封闭系统内，流体总动量保持不变，体现了流体运动的守恒特性。3.3能量定律能量守恒能量守恒定律指出，在一个封闭系统中，能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，只会从一种形式转化为另一种形式。伯努利方程伯努利方程描述了流体流动中的能量守恒关系，将流体的动能、势能和压强联系在一起。应用能量定律广泛应用于航空器设计、气动性能分析和气流控制等领域。四、翼型气动力学翼型是飞机机翼的横截面形状。翼型气动力学研究翼型在气流中的运动规律，是飞机设计和制造的基础。4.1翼型基本概念11.形状翼型是机翼的横截面形状，决定着飞机的飞行性能。22.攻角攻角是指翼型弦线与来流方向之间的夹角，影响升力和阻力。33.上表面和下表面翼型上表面通常呈凸形，下表面呈凹形，这种形状有助于产生升力。44.关键参数翼型参数包括弦长、厚度、弯度等，决定着翼型的性能特点。4.2气动力系数升力系数升力系数表示翼型产生的升力大小与来流动压力的乘积之比，是衡量翼型升力能力的重要指标。升力系数受翼型形状、迎角和马赫数的影响。阻力系数阻力系数表示翼型所受的阻力大小与来流动压力的乘积之比，反映了翼型对流动的阻碍程度。阻力系数受翼型形状、迎角、马赫数和雷诺数的影响。4.3无量纲参数分析雷诺数表征粘性力与惯性力之比。马赫数表示飞行速度与音速之比。攻角翼型弦线与来流方向夹角。五、航空器气动力航空器气动力是飞机、飞艇、直升机等飞行器在飞行中受到的空气力的合力，它是飞行器产生升力、阻力和操纵力的主要来源。航空器气动力是一个复杂的现象，它受到飞行器外形、飞行速度、飞行姿态、大气环境等多种因素的影响。5.1机翼气动力机翼升力机翼升力是飞机起飞和飞行所必需的。升力由机翼形状和气流相互作用产生。机翼阻力机翼阻力是飞机飞行时遇到的空气阻力。阻力分为摩擦阻力和压差阻力。机翼效率机翼效率是升力和阻力之比，反映了机翼的性能。效率越高，飞机更有效率地飞行。5.2尾翼气动力水平尾翼水平尾翼提供纵向稳定性，防止飞机在飞行中发生俯仰运动。垂直尾翼垂直尾翼提供方向稳定性，防止飞机在飞行中发生偏航运动。气动力分析尾翼的气动力与机翼类似，可以利用相同的计算方法和理论进行分析。影响因素尾翼的形状、大小、位置以及飞行状态等因素都会影响其气动力特性。5.3机身气动力阻力最小化机身设计为流线型，减少阻力，提高效率。升力分布机身表面产生升力，减轻机翼压力，提高效率。稳定性贡献机身稳定性，在飞行过程中保持稳定姿态。六、气动设计与优化气动设计与优化是航空器研发的关键环节，旨在提升性能，降低能耗。优化过程涉及气动外形设计、数值模拟和风洞实验。6.1气动外形设计优化目标气动外形设计旨在降低阻力，提高升力，改善飞机的飞行性能。关键参数翼展、翼型、机身形状、尾翼尺寸等参数影响着飞机的飞行效率和稳定性。设计方法使用数值模拟、风洞实验等技术进行气动外形优化，以达到最佳性能。6.2数值模拟技术计算流体力学计算流体力学(CFD)是一种利用计算机来模拟流体流动行为的技术。CFD软件可以帮助工程师们预测气动特性，例如升力、阻力、以及飞机在不同飞行条件下的性能。有限元法有限元法(FEM)是一种常用的数值模拟方法。它将复杂物体分解成更小的单元，然后用方程来描述每个单元的流动行为，并最终将所有单元的方程组合起来，得出整体流动规律。6.3风洞实验方法11.模拟真实飞行风洞实验在模拟真实飞行条件下，可测试气动特性。22.模型设计与制造根据实际飞行器设计，制作尺寸比例的模型。33.数据采集与分析通过测量模型表面压力、速度等参数，分析气动特性。44.风洞类型