哈工大 空气动力学 第1章绪论及基础知识

1第一章绪论及基本概念、知识空气动力学授课教师：陈浮哈尔滨工业大学能源科学与工程学院推进理论与技术研究所10学时2教材：气体动力学基础（修正版）潘锦珊1.第一章p1~10，p21~23；2.附录p509~510；3.第五章p215~219，p222~223；4.第六章p248~250；5.第十一章p397~407。3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4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5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6后掠机翼平直机翼激波11Va21VV120shDmVV激波阻力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7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8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9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10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11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。12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13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%14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15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16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17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18建筑物流场钝头体噪声飞机学时119发展概述18世纪：流体力学创建阶段伯努利伯努利方程22Vpgzconst不可压无黏定常流动压强、高度及速度关系欧拉欧拉方程DVpRDt理想流体运动方程组连续介质假设达朗贝尔达朗贝尔疑题忽略黏性则任意封闭性状物体阻力为零质量守恒方程0Vt牛顿牛顿流模型均匀分布/彼此无关的运动质点流体介质与物面碰撞切向动量不变法向动量作用力222sin0.5pppCV高超声速流动物面压力系数19世纪：流体力学全面发展阶段拉普拉斯拉普拉斯方程22222220uuuuxyz线性方程数学求解方法成熟已知边界条件求解黏性流体力学空气-气体动力学20兰金势函数方程无黏定常不可压流动20V流函数方程二维无黏常不可压流动20涡核模型以及直均匀流叠加到源或汇、偶极子等流动奇点法纳维-斯托克斯黏性流体运动方程：N-S方程DVpRDt雷诺雷诺实验层流/湍流雷诺平均N-S方程附加雷诺/湍流应力空气-气体动力学兰金和雨贡纽：激波前后气动参数关系式瑞利和泰勒：激波关系单向性马赫：马赫角关系阿克莱：Ma=V/a普朗特和迈耶：斜激波和膨胀波理论布兹曼：圆锥激波解的图解法泰勒和马可尔：圆锥激波解的数值解拉伐尔：发明拉伐尔/缩放喷管斯多道拉、普朗特和迈耶：拉伐尔喷管流动特性海姆霍兹旋涡三定理在同一瞬时旋涡强度沿涡管长度不变理想/无粘质量力有势正压流体中涡管永恒存在理想/无粘质量力有势正压流体中涡管强度不随时间变化2120世纪：空气-气体动力学完整体系创建莱特兄弟第一架有动力飞行的载人飞行器“飞行者”I号普朗特边界层理论近物面薄边界层内考虑黏性远离物面区做无黏处理儒科夫斯基环量概念升力公式奠定二维机翼升力理论基础LV一战~20世纪30年代低速空气动力学普朗特耶：大展弦比升力线理论戈泰特：亚音速三维机翼相似法则冯卡门、钱学森：更准确的亚音速相似律二战~战后超音速空气动力学喷气发动机亚音高亚音超音音障可压缩性激波/膨胀波/气动热问题跨音速空气动力学20世纪50-60年代火箭技术Ma5高超音速空气动力学卫星/航天飞机稀薄空气动力学飞行器返回气动热化学动力学/电磁流体力学内流气体动力学压气机/涡轮绕叶片流动燃烧室燃烧问题2220世纪60年代高性能计算机现代计算技术空气-气体动力学理论实验验证计算流体力学/CFD部件/全机复杂流场计算精度/可靠性周期短/省经费20世纪以来实验技术发展PIVHWA数据采集/处理系统PIV/激光测速仪HWA/热线风速仪压力/温度敏感漆……详细流场结构/图谱复杂流动机理认识准确实验数据23连续介质流空气-气体动力学低密度与自由分子流亚音速流无黏流动黏性流动不可压缩流可压缩流跨音速流超音速流高超音速流空气-气体动力学所涉及的流动类型24流体力学基本概念连续介质随机热运动离散/有间隙大量分子实际离散结构无分子空隙无分子运动连续充满空间物质空间连续分布假设微观结构性质宏观物理量协调联系时间空间点连续可微函数分子效应范围连续介质范围分子平均自由行程：相邻分子碰撞前的平均距离a或流体质点连续介质yx流体质点aLa体现空间一点的宏观属性包含分子数多到保证获得稳定的宏观统计属性La39301010acmcm特征体积含2.71010个空气分子分子平均自由行程10-6cm某时刻流场某空间点宏观物理量该时刻占据该空间点流体质点具有的宏观物理量25连续流区：70km标准海平面1cm3含2.71019个分子分子平均自由行程10-8mm滑移流区：70-100km30km1cm3含41017个分子自由分子流区：