《北航空气动力学》课件

《北航空气动力学》课程介绍本课程旨在介绍空气动力学基础知识，包括空气动力学基本概念、空气动力学方程、流体动力学、气动热力学等内容。通过本课程学习，学生将掌握流体动力学基本理论，并能够运用这些知识分析和解决实际工程问题。课程内容概述空气动力学基础流体力学基本定律，流体静力学，流体动力学，无粘流动，粘性流动等基础知识飞行器气动设计翼型设计理论，机翼气动特性，机身气动特性，尾翼气动特性，飞机总体气动设计等内容飞行器气动性能分析升力与阻力，气动参数的无量纲表示，气动系数的预测和测量，气动缩比模型试验，数值模拟在气动设计中的应用等内容飞行器气动布局设计喷气发动机原理，飞行器姿态稳定与控制，飞行器气动布局设计，未来航空发展趋势等内容空气动力学基本概念空气动力学研究物体在空气中运动时所产生的力和运动规律，以及如何利用这些力来实现飞行。气流空气作为一种流体，会在物体运动时绕过物体流动，形成气流。气动参数描述物体在空气中运动状态的物理量，如速度、压力、密度等。气动效应物体在空气中运动时所产生的力，如升力、阻力、侧力等。流体力学基本定律1质量守恒定律流体在流动过程中质量始终保持不变，这是流体力学中最基本的定律之一。2动量守恒定律流体系统的动量总和保持不变，反映了流体运动的惯性特性。3能量守恒定律流体系统的能量总和保持不变，包括动能、势能和内能。4牛顿粘性定律描述了流体内部由于流动而产生的内摩擦力，该定律适用于牛顿流体。流体静力学流体静力学概述流体静力学是研究静止流体的平衡条件和力学性质。它是在流体力学基础上建立的学科，广泛应用于航空航天、海洋工程等领域。基本概念流体静力学的基本概念包括压力、密度、浮力等。这些概念是研究静止流体平衡和力学性质的基础。流体动力学流体运动研究流体运动规律，包括流体在不同外力作用下的运动形式和速度变化。压力分布分析流体内部的压力分布，包括静压和动压，以及它们与流体速度之间的关系。粘性效应研究流体内部的粘性力对流体运动的影响，包括边界层、摩擦阻力等。能量守恒应用能量守恒定律分析流体的能量转换和流动过程，例如伯努利方程。无粘流动理想流体假设无粘流动基于理想流体假设，即流体没有粘性，内部无摩擦力。流线在无粘流动中，流体粒子沿着流线运动，流线互不交叉。伯努利定理伯努利定理是无粘流动的基本定律之一，描述了流体速度和压力的关系。粘性流动粘性流动定义流体内部存在内摩擦力的流动称为粘性流动，也称为实际流动。粘性流动中的流体运动受到粘性的影响，导致能量损失。粘性流动特征粘性流动是现实世界中常见的流动类型，例如飞机在空气中的飞行。流体粘性会导致边界层形成，边界层内流速梯度很大，摩擦力显著。边界层理论流体粘性空气动力学中，边界层是流体与固体表面之间发生的薄层区域，这里流体流动受到粘性的影响。边界层特性边界层内，流体速度从靠近固体表面处的零逐渐增加到自由流速度。边界层分离边界层分离是边界层与固体表面脱离，形成涡流，对飞行器气动性能产生负面影响。层流与湍流层流流体粒子沿平滑的、有规律的路径流动。层流流体中的流体粒子保持平行的运动轨迹，不会互相混合。湍流流体粒子以不规则、随机的方式运动。湍流流体中的流体粒子相互混合，产生漩涡和湍流。层流与湍流的区分根据流体速度、粘度和特征长度的组合，即雷诺数，来区分层流和湍流。空气动力力和力矩的定义1空气动力力的定义空气动力力是指流体作用于物体表面的力，是空气动力学研究的核心内容。2空气动力力的分类根据力的方向可分为升力、阻力、侧力和纵向力等。3空气动力力矩的定义空气动力力矩是指空气动力力对物体绕某一轴的旋转作用。4空气动力力矩的分类根据力矩方向可分为俯仰力矩、偏航力矩和滚转力矩。升力与阻力升力机翼产生的垂直于来流方向的力，使飞机升空。阻力机翼产生的平行于来流方向的力，阻碍飞机飞行。气动参数的无量纲表示参数无量纲形式意义速度马赫数(Ma)速度与音速之比长度弦长(c)翼型或机翼的参考长度粘性雷诺数(Re)惯性力与粘性力之比升力与阀角关系1升力系数随阀角增加而增大2最大升力出现在特定阀角3临界阀角超过后升力下降4失速现象升力急剧下降升力与阀角之间存在复杂的关系。随着阀角的增加，升力系数也会随之增大。当达到特定阀角时，升力达到最大值。如果继续增加阀角，升力系数会开始下降，甚至出现失速现象，导致升力急剧下降。这一关系对飞行器设计至关重要，需要根据不同的飞行状态选择合适的阀角。阻力与雷诺数关系雷诺数是流体力学中重要的无量纲参数，用于表征流体的惯性力与粘性力之比。1层流雷诺数较低，流体流动平稳，阻力较小。2过渡区雷诺数处于临界状态，流动不稳定，阻力较大。3湍流雷诺数较高，流体流动混乱，阻力最大。雷诺数会影响流体的流动状态，进而影响飞行器的阻力。当雷诺数较低时，流体流动处于层流状态，阻力较小。随着雷诺数的增加，流体流动逐渐过渡到湍流状态，阻力随之增大。气动系数的预测和测量风洞试验在风洞中模拟真实飞行条件，测量气动系数。数值模拟利用计算机程序求解气动方程，预测气动系数。翼型设计理论翼型形状翼型形状对气动性能至关重要，包括升力、阻力、俯仰力矩等。翼型设计要考虑飞行速度、飞行高度、机动性能等因素。翼型参数翼型参数包括弦长、厚度、弯度、后缘厚度等。不同参数会影响翼型的气动特性，需要根据实际需求选择合适的翼型。机翼的气动特性机翼是飞行器的重要组成部分，负责产生升力和控制飞行姿态。机翼设计需考虑多种气动特性，包括升力系数、阻力系数、升力线斜率、失速特性等。理解机翼的气动特性对飞行器设计和性能分析至关重要。机身气动特性机身是飞机的主要承力结构，影响飞机的阻力、升力以及气动稳定性。机身形状对飞机的飞行性能影响巨大，设计师需要根据不同的飞行任务和设计目标，优化机身形状。常见的机身形状包括圆柱形、椭圆形、梭形等，每种形状都有其优缺点。尾翼的气动特性尾翼是飞机的重要组成部分，用于控制飞机的俯仰和偏航运动。尾翼的形状和位置会影响飞机的稳定性和操控性。本节将介绍尾翼的基本概念和气动特性，以及它们在飞机设计中的重要作用。飞机总体气动设计协调设计优化各个部件之间的相互影响，以实现最佳性能。性能指标考虑飞机的升力、阻力、稳定性、操控性等方面的综合性能指标。气动布局根据飞机的用途和性能要求，选择合适的机翼、机身、尾翼等布局方式。风洞试验通过风洞试验验证飞机的气动特性，并对设计方案进行调整优化。喷气发动机原理11.工作原理喷气发动机利用燃气膨胀产生推力，推动飞机向前运动。22.核心部件喷气发动机主要由进气道、压气机、燃烧室、涡轮和喷管组成。33.工作过程空气被吸入发动机，经过压气机压缩，在燃烧室与燃料混合燃烧，燃气膨胀推动涡轮，最终从喷管排出产生推力。44.分类喷气发动机可分为涡喷发动机、涡扇发动机、涡桨发动机和火箭发动机等类型。飞行器姿态稳定与控制稳定性飞机在受到外力扰动时，能够自动恢复到平衡状态，保证飞行安全。可控性飞行员可以通过控制系统，改变飞机姿态，完成飞行任务。稳定控制系统包括纵向稳定性、横向稳定性、方向稳定性，以及控制系统的设计。姿态控制通过舵面、升降舵、副翼等控制系统，调整飞机姿态，实现飞行目标。飞行器气动布局设计综合考虑气动布局设计需要综合考虑飞机的性能、重量、尺寸、成本等因素，以实现最佳的飞行性能。气动效率气动布局设计需要最大限度地提高飞机的气动效率，降低阻力，提高升力，减少油耗。稳定性气动布局设计需要确保飞机在飞行过程中的稳定性，防止飞机失控或出现危险的飞行状态。控制性气动布局设计需要确保飞机能够有效地控制方向、速度和高度，满足飞行员的操作需求。气动缩比模型试验1模型制造根据真实飞机比例缩小，制作精确的模型，材料需满足特定要求。2风洞测试将模型置于风洞中，模拟真实飞行条件，测量气动参数。3数据分析分析测试数据，推算真实飞机气动性能，验证设计方案。4结果应用将测试结果应用于飞机设计，优化性能，提高效率。数值模拟在气动设计中的应用效率提升数值模拟可快速测试不同设计方案，减少风洞实验次数，提高设计效率。模拟结果帮助优化设计，减少原型制作成本。精确性数值模拟提供更精确的气动特性数据，帮助设计人员理解气流行为，优化飞机性能。模拟结果可用于预测飞行器在不同飞行状态下的表现，确保安全性。未来航空发展趋势智能化未来飞机将更加智能化，实现自主飞行和智能控制。可持续性未来飞机将更加注重可持续性，采用清洁能源和环保材料。太空探索未来飞机将更加注重太空探索，实现更高速、更长距离的飞行。高超声速未来飞机将实现高超声速飞行，突破传统飞机的飞行速度限制。课程总结与展望理论实践结合课程结合理论知识，并通过风洞实验等实践环节，加深对空气动力学原理的理解。未来航空发展展望未来，航空技术将继续发展，例如，无人机、超音速飞机、航空航天技术。知识储备学习空气动力学知识，为未来的航空航天领域发展奠定基础。课程知识点梳理空气动力学基本概念定义、基本假设、流体特性。流体力学基本定律质量守恒定律、动量守恒定律、能量守恒定律。无粘流动伯努利方程、拉普拉斯方程、势流理论。粘性流动边界层理论、层流与湍流、流动阻力。空气动力力