空气动力学课件

绪论及基本概念、知识空气动力学空气与气体动力学的任务、研究方法及发展无黏流动液体流体力学流体静力学流体动力学气体水力学理论流体动力学润滑理论黏性流动变化小变化大不可压缩低速空气动力学高度或低压影响高速影响动力气象学稀薄气体动力学气体动力学亚/跨/超声速空气动力学高超声速空气动力学电磁流体动力学基本任务：空气、气体的运动规律及其与固体之间相互作用力航空、航天、汽车/列车、建筑/桥梁、叶轮机械（风机/汽轮机等）、天气预报、船舶、体育运动、……航空飞行器空气动力学升力储备：爬升、机动飞行气动效率：高升阻比稳定性、操控性表面压力及换热规律：材料、结构22vpconst理想不可压流体伯努利方程空气流过飞行器外部时运动规律飞行器升力及形成机理LV库塔-儒可夫斯基定理库塔-儒科夫斯基定理假设实际黏性附面层旋涡/涡量Stokes定理cAndA翼型非对称附面层内涡量总和即为导致升力的环量环量从何而来？凯尔文定理0DDt飞行器气动部件及其空气动力学机理翼梢小翼下洗速度诱导阻力有效迎角下洗角翼尖尾涡升力来流实际升力尾涡翼梢小翼阻挡气流上卷削弱尾涡下洗速度诱导阻力内向侧力升力推力内向侧力升力推力后掠机翼平直机翼nV是产生升力/激波的有效速度后掠翼可提高产生激波的Macr边条涡边条翼：下表面压力上表面压力气流旋转边条涡涡旋转涡心P低而V高流经部位压力低涡升力注入机翼表面气流能量推迟分离激波11Va21VV120shDmVV激波阻力发动机气体动力学高速气体（空气或燃气）在压缩性呈显著作用时的流动规律及其与物体之间的相互作用；气体在物体内部（如发动机）的运动规律；航空发动机主要部件及其作用压气机/风扇：气体增压燃烧室：气体加热涡轮：气体膨胀音障/音爆/音爆云正激波及阻力弱压缩波斜激波音障楔型体超音速运动激波及激波阻力阻力系数消耗3/4功率活塞发动机高速时螺旋桨效率低、桨尖易产生激波喷气发动机降低波阻的超音速气动布局如后掠翼、面积率蜂腰机身等音爆激波面上声学能量高度集中，这些能量让人感受到短暂而极其强烈的爆炸声。超音速低压气流局部正激波斜激波局部亚音气流超音/亚音气流超音速气流膨胀加速压缩减速尾激波压缩减速音爆云激波后气体急剧膨胀降压降温潮湿天气气温低于露点水汽凝结水珠云雾冲压发动机亚燃冲压发动机3Ma6进气道及扩压段斜激波及正激波拉伐尔喷管气流增压至亚音速燃烧室燃烧气流超音速喷出推力超燃冲压发动机进气道/斜激波气流增压且超音速隔离段附面层诱导激波串气流继续增压扩张喷管燃烧室/燃烧气流超音速喷出推力航天空气动力学热障及黑障可压缩性激波黏性摩擦力压缩增温摩擦生热气流带走加热飞行器表面化学反应空气电离等离子鞘套等离子体振荡频率无线电截止频率无线电信号屏蔽F16战斗机Ma=2温度120℃铝合金黑鸟SR-17侦察机Ma=3温度370℃93%钛合金航天飞机Ma=36温度11000K硅瓷片防护瓦、烧蚀材料热障结构强度刚度动能热能热辐射热传导气动热力学常温常压O2占20%N2占80%完全气体2000KT4000KO22O4000KT9000KN22N9000KT原子电离OO++e-NN++e-O,N,阳离子O+,N+和自由电子的等离子体PRT黑障气动热化学分子密度低电离弱80km黑障区54.8km大气稠密减速至一定程度温度低电离弱空气/气体动力学的其他应用鸟类/昆虫飞行及扑翼机扑动速度均匀来流合速度合力升力推力机动性强举升/推进/悬停/快速变向等动作集于一个扑翼系统大升力利用非定常机制，其升力远高于常规飞行器，能够在低雷诺数条件下飞行。绕障碍物流动的卡门涡街周期性脱落低Re数绕流运动双列线涡即卡门涡街旋向相反排列规则塔科玛峡谷桥风毁事件及电线风鸣声共振破坏19米/秒的风流经边墙风吹电线卡门涡街涡交替发放流体物体施加横向交变侧向力物体流体施加横向交变气动力桥梁振动涡发放频率桥梁结构的固有频率压强脉动形成声波龙卷风积雨云中大范围分布的涡量由下降气流带到地面涡管拉细/涡量增强地面气压急剧下降/风速急剧上升上下逆向旋涡带走动量方向相反辐射声波森林空气动力学树木风阻∝风速：种植方式避免风害风阻树冠/树叶：树叶在高速风中结构变形种子传播：繁衍规律、仿生力学建筑物空气动力学车辆空气动力学高/矮建筑物间涡流：风速大于普通布局的3-4倍建筑物迎背风面：背风面低压吸力效应斜屋顶：倾斜角较小吸力效应屋顶掀翻空气阻力车型迎风阻力拖曳涡涡阻表面摩擦阻力外部零件干扰阻力内部气流阻力占62%占9%占17%占12%空气阻力下降10%油耗降低5%体育中的空气动力学香蕉球弧圈球旋转球黏性上表面流体流速高低压下表面流体流速低高压顺时针旋转圆柱侧向力马格努斯力不对称分离侧向力研究方法实验研究空气动力学基本理论风洞/水洞/其他实验台架模型实物基础性应用性开拓性结果真实/可靠//丰富为理论分析/数值计算提供依据尺寸/边界/测试仪器及方法限制耗时/耗力/耗经费学时1理论研究基本概念如连续介质定律如三大守恒定律数学工具如复变函数具体物理现象主次因素抽象模型定量分析科学抽象/数学方法得到定量结论揭示物理现象的内在规律/具有相对普适性抽象模型简化无法满足复杂实际问题的研究需要非线性偏微分方程组解析解困难强烈依赖数学分析方法、数学理论的发展运动规律解析解简化方程相对普适连续介质假设无规则热运动大量分子分子统计力学流体充满一个体积连续介质无分子空隙无分子运动宏观运动规律不考虑微观结构100km以下伯努利方程DVpRDt动量守恒忽略空气质量定常流动忽略黏性/理想流体不可压流体22Vpconst11211231112123yxxxxzxyyyyxzyvDvvvvvpRVDtxxxyyxzzxDvvvvvvpRVDtxyxyyyzz1111223yxzzzzzyvvDvvvvpRVDtxzxyyzzzz数值研究数值仿真CFD计算计算机数学模型数值离散方法流体力学问题数值实验数值模拟/分析数学模型较准确如N-S方程较准确流动图谱及细节/耗时少/耗费省/便于优化设计及对比模拟重复性好/条件易控制机理不清楚的流动如空化/湍流/相变数学模型不准数值模拟可靠性、准确性差非线性偏微粉方程数值离散方法数学理论尚未完备计算稳定性/收敛性/误差分析不足受限于计算机运行速度、容量的发展微分方程的有限差分离散及网格离散介质模型离散自变量函数有限差分方程组连续介质模型连续自变量函数微分方程组空间区域有限离散点集合自变量连续变化区域差分网格tn-1tntn+1xj-1xjxj+1xj,tn0,,0uuauxfxtx一阶双曲型线性微分方程1121nnnnjjnnjjjjnnnjjjuuuuuutOtOttttuuuOxxxtx差分方程11110,0nnnnnnnnjjjjjjjjjjtuuauuuuuuaOtxxtxuf0.2空气动力学的研究对象相对飞行原理（空气动力学实验原理）当飞行器以某一速度在静止空气中运动时，飞行器与空气的相对运动规律和相互作用力，与飞行器固定不动而让空气以同样大小和相反方向的速度流过飞行器的情况是等效的。0.2空气动力学的研究对象相对飞行原理，为空气动力学的研究提供了便利。人们在实验研究时，可以将飞行器模型固定不动，人工制造直匀气流流过模型，以便观察流动现象，测量模型受到的空气动力，进行试验空气动力学研究。在理论上，对飞行器空气绕流现象和受力情况进行分析研究时，可用固接在飞行器上的观察者所看到的绕流图画进行研究，只要远前方气流速度V是常数，空气流过物体的绕流图画就不随时间变化。风洞机翼绕流流场建筑物流场钝头体噪声飞机17-20世纪理想流体力学的发展牛顿简介英国著名的数学家和物理学家（1643-1727）。牛顿出生于英国林肯郡伍尔索普乡村，是一个遗腹子，3岁母亲改嫁，将他留给外祖父母。1661年进入剑桥三一学院学习，1665年大学毕业，获得学士学位。1667年成为三一学院研究员，次年获得文学硕士学位。1669年牛顿的数学老师辞职，推举牛顿接替数学教授。1686年完成“自然哲学之数学原理”，提出了流体运动的内摩擦定律。1695年出任造币厂督办。1701年辞去三一学院教职，1704年出版“光学”，晚年一直担任英国皇家学会主席，从事圣经的研究。后人评价：牛顿是人类史上最伟大的天才：在数学上，发明了微积分；在天文学上，发现了万有引力定律，开辟了天文学的新纪元；在力学上，总结了三大运动定律，建立了牛顿力学体系；在光学上，发现了太阳光的光谱，发明了反射式望远镜。17-20世纪理想流体力学的发展莱布尼慈简介莱布尼慈，德国著名的哲学家和数学家（Leibniz，1646-1716）。1646年7月生于莱比锡一个名门世家，其父亲是一位哲学教授。莱布尼慈从小好学，一生才华横溢，在许多领域做出不同凡响的成就。在数学方面最大的成就是发明了微积分，今天微积分中使用的符号是莱布尼慈提出的。后来为了与牛顿争发明权问题，他们之间进行了一场著名的争吵。莱布尼慈自定发明权时间1674年，牛顿1665-1666年。这场争论使英国与欧洲大陆之间的数学交流中断，严重影响了英国数学的发展。17-20世纪理想流体力学的发展微积分问世后，流体成为数学家们应用微积分的最佳领域。1738年DanielBernoulli出版了“流体力学”一书，将微积分方法引进流体力学中，建立了分析流体力学的理论体系，提出无粘流动流速和压强的关系式，即Bernoulli能量方程。1755年瑞士数学家欧拉建立了理想不可压流体运动的微分方程组（欧拉方程）。六年后，拉格朗日引入流函数的概念，建立了理想流体无旋运动所满足的动力学条件，提出求解这类运动的复位势法。伯努利简介伯努利，D．(DanielBernoulli1700～1782)瑞士物理学家、数学家、医学家。1700年2月8日生于荷兰格罗宁根。著名的伯努利数学家族中最杰出的一位。他是数学家J．伯努利的次子，和他的父辈一样，违背家长要他经商的愿望，坚持学医，他曾在海得尔贝格、斯脱思堡和巴塞尔等大学学习哲学、论理学、医学。1721年取得医学硕士学位。伯努利在25岁时(1725)就应聘为圣彼得堡科学院的数学院士。8年后回到瑞士的巴塞尔，先任解剖学教授，后任动力学教授，1750年成为物理学教授。在1725～1749年间，伯努利曾十次荣获法国科学院的年度奖。1782年3月17日，伯努利在瑞士巴塞尔逝世，终年82岁。欧拉简介欧拉LeonhardEuler（1707－1783年）瑞士数学家．欧拉是世界史上最伟大的数学家之一．他从19岁就开始著书，直到76岁高龄仍继续写作．几乎每个数学领域，都可以看到欧拉的名字．如初等几何的欧拉线、多面体的欧拉定理、立体解析几何的欧拉变换公式、四次方程的欧拉解法、数论中的欧拉函数、微分方程的欧拉方程、级数论中欧拉常数、变分学的欧拉方程、复变函数论欧拉公式等．欧拉晚年不幸双目失明，在失明后的17年里，他还口述著了几本书和约400篇论文．达朗贝尔简介1743年在《动力学》一书中，达朗贝尔提出了达朗贝尔原理，它与牛顿第二定律相似，但它的发展