北京航空航天大学飞行器空气动力学课件-空气动力学基础

空气动力学基础空气动力学是研究物体在气体中运动时所产生的力以及气体运动规律的学科。它涉及从飞机飞行到风力涡轮机设计等诸多领域。课程概述课程目标本课程旨在帮助学生掌握飞行器空气动力学基础理论知识，为后续专业课程学习奠定基础。课程内容涵盖流体力学基础、气体力学基础、飞行器气动特性以及相关实验和数值模拟技术等内容。学习方法课堂讲授、课后习题、实验操作和文献阅读相结合，培养学生理论联系实际的应用能力。绪论空气动力学是研究物体在空气中运动时所产生的力的学科。它涵盖了流体力学原理在航空航天领域的应用，包括飞机、导弹、火箭等飞行器的设计和分析。流体力学基础流体性质流体是可流动的物质，例如空气和水。流体具有可压缩性和黏性。压力压力是指作用在流体表面上的力，单位面积上的力，是流体静力学的重要概念。流体运动流体运动是流体力学研究的核心内容，包括流体的速度、加速度和运动轨迹。流体力学定律质量守恒定律动量定理能量定理理想流体1无黏性理想流体没有黏性，这意味着流体层之间没有摩擦力。2不可压缩理想流体密度保持不变，无论压力如何变化。3无热传导理想流体不传热，这意味着流体温度保持恒定。4流体运动理想流体假设简化了对流体运动的分析。黏性流体内摩擦力黏性流体具有内摩擦力，也称为黏性力。这种力在流体内部不同流层之间发生。黏度黏度是描述流体抵抗剪切变形的性质。黏度越大，流体流动越困难，反之亦然。黏性流体模型牛顿流体和非牛顿流体是两种常见的黏性流体模型，它们具有不同的黏性特性。质量守恒定律质量守恒定律是流体力学中的一个基本定律，它指出在一个封闭系统中，系统的总质量保持不变。这表明质量既不能被创造也不能被毁灭，它只能从一种形式转化为另一种形式。在流体动力学中，质量守恒定律通常表示为连续性方程。连续性方程说明了流体在流动过程中，流体密度和流速之间的关系。它是一个微分方程，它可以用来描述流体的运动和变化。动量定理动量定理牛顿第二运动定律流体动量变化率作用于流体的外力控制体积流体运动动量定理是流体力学中一个重要的基本定理，它描述了流体动量的变化率与作用于流体的外力之间的关系。动量定理的应用广泛，例如，用于分析飞机升力、火箭推进力等。能量定理能量定理描述了流体系统中能量守恒原理。该定理指出，流体系统总能量保持不变，能量形式可以相互转换。能量定理可用于分析流体系统中的能量变化，如流体流动过程中的能量损失或增益。伯努利方程伯努利方程是流体力学中的一个重要方程，描述了理想流体在稳定流动状态下，流体能量守恒的定律。该方程将流体的压力、速度和高度联系在一起，是分析和计算流体运动的基础。1/2动能反映流体运动速度的能量ρgh势能反映流体位置高度的能量P压力能反映流体压力的能量无黏性流场分析欧拉方程无黏性流场分析通常基于欧拉方程，该方程描述了流体运动的质量、动量和能量守恒。简化假设欧拉方程假设流体不可压缩、无黏性，并忽略了热传导和粘性耗散等效应，简化了流场分析。流线分析通过分析流线和流函数，可以了解流体运动轨迹和速度分布，并预测流体运动趋势。应用领域无黏性流场分析广泛应用于航空航天、船舶和机械工程等领域，用于优化飞行器气动外形、设计水翼和叶片等。层流与湍流层流流体粒子沿平滑路径流动。流线平行且不交叉。低速流动通常表现为层流。湍流流体粒子呈不规则、混乱的运动。流线交叉，形成漩涡和乱流。高速流动通常表现为湍流。边界层粘性效应边界层是指流体在物体表面附近受到粘性影响的区域。流体运动速度从物体表面开始逐渐增大。层流边界层边界层可以分为层流边界层和湍流边界层。层流边界层中流体层流运动，流动稳定、平滑。湍流边界层湍流边界层中流体以不规则、混乱的方式流动。湍流边界层具有更高的摩擦阻力，对飞行器性能影响较大。气体力学基础气体力学是空气动力学的重要组成部分，研究空气与物体相互作用产生的力学现象。气体力学侧重于探讨空气作为流体，在运动过程中与物体表面相互作用产生的力学现象，例如升力、阻力、以及飞行器在不同飞行状态下的气动特性。声速与超声速声速是指声音在介质中传播的速度，与介质的性质和温度有关。超声速是指物体运动速度超过声速，其速度大于1马赫。超声速飞行器的运动速度比声速快，其气动特性与亚声速飞行器有很大区别。气体动力学方程控制方程描述连续性方程质量守恒定律动量方程牛顿第二定律能量方程能量守恒定律气体动力学方程组是描述气体流动状态的数学模型。该方程组由连续性方程、动量方程和能量方程组成，分别反映了质量、动量和能量的守恒。高超声速流场高马赫数高超声速流场指的是马赫数大于5的流场，其特点是流体速度极高，远远超过声音的速度。气体压缩由于速度极高，流体压缩性效应变得显著，导致空气密度发生急剧变化，对飞行器的气动特性产生重大影响。高温环境高速飞行会产生剧烈摩擦，导致空气温度急剧升高，形成高温气体，对飞行器材料和结构带来严峻挑战。复杂现象高超声速流场中存在一系列复杂的物理现象，例如激波、边界层分离、化学反应等，需要深入研究和理解。冲击波定义空气动力学中，当物体在空气中以超声速飞行时，会产生一种剧烈的压缩波，称为冲击波。特性冲击波是一种非线性现象，具有较强的能量和密度变化，会对物体产生显著的影响。应用冲击波在航空航天、国防、工业等领域有着广泛的应用，例如超音速飞行器设计、超声波加工等。释放激波激波释放当超声速物体飞行时，激波会在物体周围形成。这些激波是由物体移动产生的压力波引起的。激波的形成当物体速度超过声速时，它会产生一种压缩波，这种压缩波被称为激波。激波的形成会导致空气温度和压力的急剧变化。膨胀波11.膨胀波概念膨胀波是流体在经过一个膨胀角时，压强降低，速度升高的现象。22.膨胀波特点膨胀波通常发生在物体尖锐的边缘或角部，例如飞机机翼的尖端。33.膨胀波类型膨胀波分为中心膨胀波和非中心膨胀波，中心膨胀波通常发生在球形或圆柱形物体周围。44.膨胀波应用膨胀波在航空航天、流体力学等领域有着广泛的应用，例如超音速飞行器的设计和分析。流量控制流量控制流量控制是飞行器气动设计中重要环节。通过调节飞行器表面形状或其他控制装置，改变气流流量分布，从而实现控制飞行姿态、速度和轨迹等目标。翼型控制改变机翼表面形状，例如襟翼、副翼等，可以控制机翼的升力、阻力，并实现转向等操作。喷气式飞机喷气式飞机通过调节发动机推力，改变气流速度和流量，从而控制飞行姿态和速度。其他控制其他控制方式包括可控襟翼、可控涡流发生器等，利用气流控制技术优化飞行器性能。气体动力学应用气体动力学原理广泛应用于航空航天、机械制造、能源动力等领域，其应用领域不断扩展。气体动力学研究成果在推动科技进步和社会发展中发挥着至关重要的作用。飞行器概述飞行器是利用空气动力原理在空中飞行的装置。常见的飞行器包括飞机、直升机、飞艇等。飞行器是人类科技的重要成就，对人类社会发展起着重要作用。飞行器设计和制造涉及多学科交叉，包括空气动力学、结构力学、材料学、控制理论等。飞行器是复杂的系统，需要综合考虑多个因素才能实现安全、高效飞行。气动力作用升力升力是指空气对飞行器的垂直向上力，使飞行器能够克服重力而升空。阻力阻力是指空气对飞行器的水平方向上的力，阻碍飞行器前进。侧向力侧向力是指空气对飞行器的垂直于升力和阻力的力，主要影响飞行器的横向稳定性。力矩力矩是指空气对飞行器产生的旋转力，影响飞行器的姿态控制。升力产生机理空气动力学原理当机翼运动时，由于机翼上表面空气流速快，下表面空气流速慢，导致上下表面压强差，形成压力差，从而产生向上升力。翼型设计机翼上表面弯曲，下表面平直，导致上表面空气流过路径更长，速度更快，下表面空气流过路径更短，速度更慢，产生压力差。迎角影响机翼迎角增大时，上表面空气流速加快，压力差增大，升力增大；迎角过大，则会产生失速现象，升力急剧下降。阻力产生机理11.摩擦阻力由于物体表面与流体之间相对运动产生的摩擦力，与物体表面积和流体黏性有关。22.形状阻力由于物体形状引起的流体绕流阻力，与物体形状和流体密度有关。33.诱导阻力由于机翼产生升力而引起的阻力，与机翼展弦比和升力系数有关。44.波阻力高速飞行时，由于机身周围产生压缩波而引起的阻力，与飞行速度和物体形状有关。飞行器气动特性气动特性描述升力系数衡量飞行器升力大小的无量纲系数阻力系数衡量飞行器阻力大小的无量纲系数升阻比反映飞行器升力和阻力之间的关系俯仰力矩系数衡量飞行器绕横轴的力矩大小的无量纲系数滚转力矩系数衡量飞行器绕纵轴的力矩大小的无量纲系数偏航力矩系数衡量飞行器绕垂轴的力矩大小的无量纲系数翼型气动设计翼型气动设计是飞行器设计中至关重要的环节，其目标是优化翼型形状，以实现最佳的气动性能，例如升力和阻力的平衡。设计过程通常包括多个阶段，从初步概念设计到详细的优化设计，最终实现符合飞行器性能要求的翼型。1翼型概念设计根据飞行器任务需求，确定基本翼型类型，例如对称翼型或非对称翼型。2翼型参数优化通过调整翼型参数，例如弦长、厚度、弯度，优化翼型的气动性能。3翼型性能评估采用计算流体力学软件或风洞实验方法评估翼型的气动性能。翼型气动设计涉及多种学科，例如流体力学、空气动力学、材料科学等，需要运用先进的设计软件和实验方法。实验研究方法风洞实验风洞是模拟飞行器周围气流环境的实验装置。通过测量模型表面的压力、速度和力等参数，可以获得飞行器的空气动力特性。水洞实验水洞实验利用水作为介质，模拟飞行器在水中的运动状态。可以研究飞行器的阻力、升力、稳定性等特性，