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绪论及基础知识.pptx
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1、1教材:教材:教材:教材:空气与气体动力学引论空气与气体动力学引论空气与气体动力学引论空气与气体动力学引论 李凤蔚李凤蔚李凤蔚李凤蔚1.1.第一章第一章第一章第一章p19p19,p2022p2022;2.2.第二章第二章第二章第二章p2536p2536,p3940p3940;3.3.第六章第六章第六章第六章p156161p156161;4.4.第十四章第十四章第十四章第十四章p344354p344354。2空气与气体动力学的任务、研究方法及发展空气与气体动力学的任务、研究方法及发展无黏流动无黏流动无黏流动无黏流动液体液体液体液体流体力学流体力学流体力学流体力学流体静力学流体静力学流体静力学流体
2、静力学流体动力学流体动力学流体动力学流体动力学气体气体气体气体水力学水力学水力学水力学理论流体动力学理论流体动力学理论流体动力学理论流体动力学润滑理论润滑理论润滑理论润滑理论黏性流动黏性流动黏性流动黏性流动 变化小变化小变化小变化小 变化大变化大变化大变化大不可压缩低速不可压缩低速不可压缩低速不可压缩低速空气动力学空气动力学空气动力学空气动力学高度或低压影响高度或低压影响高度或低压影响高度或低压影响高速影响高速影响高速影响高速影响动力气象学动力气象学动力气象学动力气象学稀薄气体动力学稀薄气体动力学稀薄气体动力学稀薄气体动力学气体动力学气体动力学气体动力学气体动力学亚亚亚亚/跨跨跨跨/超声速空气
3、动力学超声速空气动力学超声速空气动力学超声速空气动力学高超声速空气动力学高超声速空气动力学高超声速空气动力学高超声速空气动力学电磁流体动力学电磁流体动力学电磁流体动力学电磁流体动力学3基本任务:基本任务:基本任务: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空气、气体的运动规律及其与固体之间相互作用力空气、气体的运动规律及其与固体之间相互作用力空气、气体的运动规律及其与固体之间相互作用力航空、航天、航空、航天、航空、航天、航空、航天、汽车汽车汽车汽车/列车、建筑列车、建筑列车、建筑列车、建筑/桥梁、叶轮机械(风机桥梁、叶轮机械(风机桥梁、叶轮机械(风机桥梁、叶轮机械(风机/汽轮机等)
4、、汽轮机等)、汽轮机等)、汽轮机等)、天气预报、船舶、体育运动、天气预报、船舶、体育运动、天气预报、船舶、体育运动、天气预报、船舶、体育运动、航空飞行器空气动力学航空飞行器空气动力学航空飞行器空气动力学航空飞行器空气动力学升力储备:升力储备:升力储备:升力储备:爬升、机动飞行爬升、机动飞行爬升、机动飞行爬升、机动飞行气动效率:气动效率:气动效率:气动效率:高升阻比高升阻比高升阻比高升阻比稳定性、操控性稳定性、操控性稳定性、操控性稳定性、操控性表面压力及换热规律:表面压力及换热规律:表面压力及换热规律:表面压力及换热规律:材料、结构材料、结构材料、结构材料、结构理想不可压流体理想不可压流体理想不
5、可压流体理想不可压流体伯努利方程伯努利方程伯努利方程伯努利方程空气流过飞行器外部时运动规律空气流过飞行器外部时运动规律空气流过飞行器外部时运动规律空气流过飞行器外部时运动规律 飞行器升力及形成机理飞行器升力及形成机理飞行器升力及形成机理飞行器升力及形成机理库塔库塔库塔库塔-儒可夫儒可夫儒可夫儒可夫斯基定理斯基定理斯基定理斯基定理库塔库塔库塔库塔-儒科夫儒科夫儒科夫儒科夫斯基定理斯基定理斯基定理斯基定理假设假设假设假设实际实际实际实际黏性黏性黏性黏性附面层附面层附面层附面层旋涡旋涡旋涡旋涡/涡量涡量涡量涡量StokesStokes定理定理定理定理翼型非对称附面层内涡量总和翼型非对称附面层内涡量总
6、和翼型非对称附面层内涡量总和翼型非对称附面层内涡量总和即为导致升力的环量即为导致升力的环量即为导致升力的环量即为导致升力的环量环量环量环量环量 从何而来?从何而来?从何而来?从何而来?凯尔文定理凯尔文定理凯尔文定理凯尔文定理4 飞行器气动部件及其空气动力学机理飞行器气动部件及其空气动力学机理飞行器气动部件及其空气动力学机理飞行器气动部件及其空气动力学机理翼梢小翼翼梢小翼翼梢小翼翼梢小翼下洗速度下洗速度下洗速度下洗速度诱导阻力诱导阻力诱导阻力诱导阻力有效迎角有效迎角有效迎角有效迎角 下洗角下洗角下洗角下洗角翼尖尾涡翼尖尾涡翼尖尾涡翼尖尾涡升力升力升力升力 当地升力当地升力当地升力当地升力等效来流
7、等效来流等效来流等效来流来流来流来流来流实际升力实际升力实际升力实际升力尾涡尾涡尾涡尾涡翼梢小翼翼梢小翼翼梢小翼翼梢小翼 阻挡气流上卷阻挡气流上卷阻挡气流上卷阻挡气流上卷削弱尾涡削弱尾涡削弱尾涡削弱尾涡下洗速度下洗速度下洗速度下洗速度 诱导阻力诱导阻力诱导阻力诱导阻力 内向侧力内向侧力内向侧力内向侧力升力升力升力升力推力推力推力推力内向侧力内向侧力内向侧力内向侧力升力升力升力升力 推力推力推力推力 5后掠机翼后掠机翼后掠机翼后掠机翼平直机翼平直机翼平直机翼平直机翼是产生升力是产生升力是产生升力是产生升力/激波的有效速度激波的有效速度激波的有效速度激波的有效速度后掠翼可提高产生激波的后掠翼可提高
8、产生激波的后掠翼可提高产生激波的后掠翼可提高产生激波的MaMacrcr边条涡边条涡边条涡边条涡边条翼:边条翼:边条翼:边条翼:下表面压力下表面压力下表面压力下表面压力 上表面压力上表面压力上表面压力上表面压力气流旋转气流旋转气流旋转气流旋转边条涡边条涡边条涡边条涡涡旋转涡旋转涡旋转涡旋转涡心涡心涡心涡心P P低而低而低而低而V V高高高高流经部位压力低流经部位压力低流经部位压力低流经部位压力低涡升力涡升力涡升力涡升力注入机翼表面气流能量推迟分离注入机翼表面气流能量推迟分离注入机翼表面气流能量推迟分离注入机翼表面气流能量推迟分离激波激波激波激波激波阻力激波阻力激波阻力激波阻力6发动机气体动力学发
9、动机气体动力学发动机气体动力学发动机气体动力学 高速气体(空气或燃气)在压缩性呈显著作用时的流动规高速气体(空气或燃气)在压缩性呈显著作用时的流动规高速气体(空气或燃气)在压缩性呈显著作用时的流动规高速气体(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;律及其与物体之间的相互作用;律及其与物体之间的相互作用;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;气体在物体内部(如发动机)的运动规律;气体在物体内部(如发动机)的运动规律;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航空发动机主要部件及其作用航空发动机主要部件及其作用航空发动机
10、主要部件及其作用压气机压气机压气机压气机/风扇:风扇:风扇:风扇:气体增压气体增压气体增压气体增压燃烧室:燃烧室:燃烧室:燃烧室:气体加热气体加热气体加热气体加热涡轮:涡轮:涡轮:涡轮:气体膨胀气体膨胀气体膨胀气体膨胀7 音障音障音障音障/音爆音爆音爆音爆/音爆云音爆云音爆云音爆云正激波及阻力正激波及阻力正激波及阻力正激波及阻力弱压缩波弱压缩波弱压缩波弱压缩波斜激波斜激波斜激波斜激波 音障音障音障音障楔型体楔型体楔型体楔型体超音速运动超音速运动超音速运动超音速运动激波及激波阻力激波及激波阻力激波及激波阻力激波及激波阻力阻力系数阻力系数阻力系数阻力系数 消耗消耗消耗消耗3/43/4功率功率功率功
11、率 活塞发动机活塞发动机活塞发动机活塞发动机高速时螺旋桨效率低、桨尖易产生激波高速时螺旋桨效率低、桨尖易产生激波高速时螺旋桨效率低、桨尖易产生激波高速时螺旋桨效率低、桨尖易产生激波喷气发动机喷气发动机喷气发动机喷气发动机 降低波阻的超音速气动布局降低波阻的超音速气动布局降低波阻的超音速气动布局降低波阻的超音速气动布局如后掠翼、面积率如后掠翼、面积率如后掠翼、面积率如后掠翼、面积率蜂腰机身等蜂腰机身等蜂腰机身等蜂腰机身等 音爆音爆音爆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。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。激波面上声学能量高度集中
12、,这些能量让人感受到短暂而极其强烈的爆炸声。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。超音速超音速超音速超音速低压气流低压气流低压气流低压气流局部正激波局部正激波局部正激波局部正激波斜激波斜激波斜激波斜激波局部亚音气流局部亚音气流局部亚音气流局部亚音气流超音超音超音超音/亚音亚音亚音亚音气流气流气流气流超音速气流超音速气流超音速气流超音速气流膨胀加速膨胀加速膨胀加速膨胀加速压缩减速压缩减速压缩减速压缩减速尾激波尾激波尾激波尾激波压缩减速压缩减速压缩减速压缩减速 音爆云音爆云音爆云音爆云激波后气体激波后气体激波后气体激波后气体急剧膨胀降压降温急剧膨胀降压降温急剧膨胀降压
13、降温急剧膨胀降压降温潮湿天气潮湿天气潮湿天气潮湿天气气温低于露点气温低于露点气温低于露点气温低于露点水汽凝结水珠水汽凝结水珠水汽凝结水珠水汽凝结水珠云雾云雾云雾云雾8 冲压发动机冲压发动机冲压发动机冲压发动机亚燃冲压发动机亚燃冲压发动机亚燃冲压发动机亚燃冲压发动机 3Ma63Ma6进气道及扩压段进气道及扩压段进气道及扩压段进气道及扩压段斜激波及正激波斜激波及正激波斜激波及正激波斜激波及正激波拉伐尔喷管拉伐尔喷管拉伐尔喷管拉伐尔喷管气流增压至亚音速气流增压至亚音速气流增压至亚音速气流增压至亚音速燃烧室燃烧室燃烧室燃烧室燃烧燃烧燃烧燃烧气流超音速喷出气流超音速喷出气流超音速喷出气流超音速喷出推力推
14、力推力推力超燃冲压发动机超燃冲压发动机超燃冲压发动机超燃冲压发动机进气道进气道进气道进气道/斜激波斜激波斜激波斜激波气流增压且超音速气流增压且超音速气流增压且超音速气流增压且超音速隔离段隔离段隔离段隔离段附面层诱导激波串附面层诱导激波串附面层诱导激波串附面层诱导激波串气流继续增压气流继续增压气流继续增压气流继续增压扩张喷管扩张喷管扩张喷管扩张喷管燃烧室燃烧室燃烧室燃烧室/燃烧燃烧燃烧燃烧气流超音速喷出气流超音速喷出气流超音速喷出气流超音速喷出推力推力推力推力9航天空气动力学航天空气动力学航天空气动力学航天空气动力学 热障及黑障热障及黑障热障及黑障热障及黑障可压缩性可压缩性可压缩性可压缩性激波激
15、波激波激波黏性黏性黏性黏性摩擦力摩擦力摩擦力摩擦力压缩增温压缩增温压缩增温压缩增温摩擦生热摩擦生热摩擦生热摩擦生热气流带走气流带走气流带走气流带走加热飞行器表面加热飞行器表面加热飞行器表面加热飞行器表面化学反应化学反应化学反应化学反应空气电离空气电离空气电离空气电离等离子鞘套等离子鞘套等离子鞘套等离子鞘套等离子体振荡频率等离子体振荡频率等离子体振荡频率等离子体振荡频率无线电截止频率无线电截止频率无线电截止频率无线电截止频率无线电信号屏蔽无线电信号屏蔽无线电信号屏蔽无线电信号屏蔽F16F16战斗机战斗机战斗机战斗机 Ma=2Ma=2温度温度温度温度 120120铝合金铝合金铝合金铝合金黑鸟黑鸟黑
16、鸟黑鸟SR-17SR-17侦察机侦察机侦察机侦察机 Ma=3Ma=3温度温度温度温度 37037093%93%钛合金钛合金钛合金钛合金航天飞机航天飞机航天飞机航天飞机 MMa=36a=36温度温度温度温度 11000K11000K硅瓷片防护瓦、烧蚀材料硅瓷片防护瓦、烧蚀材料硅瓷片防护瓦、烧蚀材料硅瓷片防护瓦、烧蚀材料 热障热障热障热障结构强度结构强度结构强度结构强度 刚度刚度刚度刚度 动能动能动能动能热能热能热能热能热辐射热辐射热辐射热辐射热传导热传导热传导热传导气动热力学气动热力学气动热力学气动热力学常温常压常温常压常温常压常温常压 OO2 2占占占占20%N20%N2 2占占占占80%80
17、%完全气体完全气体完全气体完全气体2000KT4000K2000KT4000K O O2 22O 2O 4000KT9000K4000KT9000K N N2 22N2N9000KT 9000KT 原子电离原子电离原子电离原子电离OOOO+e+e-N NN N+e+e-O,N,O,N,阳离子阳离子阳离子阳离子OO+,N,N+和自由电子的和自由电子的和自由电子的和自由电子的等离子体等离子体等离子体等离子体 黑障黑障黑障黑障气动热化学气动热化学气动热化学气动热化学分子密度低分子密度低分子密度低分子密度低电离弱电离弱电离弱电离弱80km80km黑障区黑障区黑障区黑障区 54.8km5Ma5高超音速空
18、气动力学高超音速空气动力学高超音速空气动力学高超音速空气动力学卫星卫星卫星卫星/航天飞机航天飞机航天飞机航天飞机稀薄空气动力学稀薄空气动力学稀薄空气动力学稀薄空气动力学飞行器返回飞行器返回飞行器返回飞行器返回气动热化学动力学气动热化学动力学气动热化学动力学气动热化学动力学/电磁流体力学电磁流体力学电磁流体力学电磁流体力学内流气体动力学内流气体动力学内流气体动力学内流气体动力学 压气机压气机压气机压气机/涡轮绕叶片流动涡轮绕叶片流动涡轮绕叶片流动涡轮绕叶片流动 燃烧室燃烧问题燃烧室燃烧问题燃烧室燃烧问题燃烧室燃烧问题21 2020世纪世纪世纪世纪6060年代年代年代年代 高性能计算机高性能计算机
19、高性能计算机高性能计算机现代计算技术现代计算技术现代计算技术现代计算技术空气空气空气空气-气体动力学理论气体动力学理论气体动力学理论气体动力学理论实验验证实验验证实验验证实验验证计算流体力学计算流体力学计算流体力学计算流体力学/CFD/CFD 部件部件部件部件/全机复杂流场计算全机复杂流场计算全机复杂流场计算全机复杂流场计算 精度精度精度精度/可靠性可靠性可靠性可靠性 周期短周期短周期短周期短/省经费省经费省经费省经费 2020世纪以来世纪以来世纪以来世纪以来 实验技术发展实验技术发展实验技术发展实验技术发展PIVPIVHWAHWA数据采集数据采集数据采集数据采集/处理系统处理系统处理系统处理
20、系统PIV/PIV/激光测速仪激光测速仪激光测速仪激光测速仪HWA/HWA/热线风速仪热线风速仪热线风速仪热线风速仪压力压力压力压力/温度敏感漆温度敏感漆温度敏感漆温度敏感漆详细流场结构详细流场结构详细流场结构详细流场结构/图谱图谱图谱图谱复杂流动机理认识复杂流动机理认识复杂流动机理认识复杂流动机理认识准确实验数据准确实验数据准确实验数据准确实验数据22连续介质流连续介质流连续介质流连续介质流空气空气空气空气-气体动力学气体动力学气体动力学气体动力学低密度与自由分子流低密度与自由分子流低密度与自由分子流低密度与自由分子流亚音速流亚音速流亚音速流亚音速流无黏流动无黏流动无黏流动无黏流动黏性流动黏
21、性流动黏性流动黏性流动不可压缩流不可压缩流不可压缩流不可压缩流可压缩流可压缩流可压缩流可压缩流跨音速流跨音速流跨音速流跨音速流 超音速流超音速流超音速流超音速流 高超音速流高超音速流高超音速流高超音速流空气空气空气空气-气体动力学所涉及的流动类型气体动力学所涉及的流动类型气体动力学所涉及的流动类型气体动力学所涉及的流动类型23流体力学基本概念流体力学基本概念 连续介质连续介质连续介质连续介质随机热运动随机热运动随机热运动随机热运动离散离散离散离散/有间隙有间隙有间隙有间隙大量分子大量分子大量分子大量分子实际离散结构实际离散结构实际离散结构实际离散结构无分子空隙无分子空隙无分子空隙无分子空隙无分
22、子运动无分子运动无分子运动无分子运动连续连续连续连续充满充满充满充满空间空间空间空间 物质空间连续分布假设物质空间连续分布假设物质空间连续分布假设物质空间连续分布假设微观结构性质微观结构性质微观结构性质微观结构性质宏观物理量宏观物理量宏观物理量宏观物理量协调联系协调联系协调联系协调联系时间时间时间时间空间点空间点空间点空间点连续可微函数连续可微函数连续可微函数连续可微函数分子效应范围分子效应范围分子效应范围分子效应范围连续介质范围连续介质范围连续介质范围连续介质范围分子平均自由行程分子平均自由行程分子平均自由行程分子平均自由行程 :相邻分子碰撞前的平均距离相邻分子碰撞前的平均距离相邻分子碰撞前
23、的平均距离相邻分子碰撞前的平均距离流体质点流体质点流体质点流体质点连续介质连续介质连续介质连续介质研究物体特征尺寸研究物体特征尺寸研究物体特征尺寸研究物体特征尺寸L Ly yx x流体质点流体质点流体质点流体质点体现空间一点的宏观属性体现空间一点的宏观属性体现空间一点的宏观属性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包含分子数多到保证获得稳定的宏观统计属性包含分子数多到保证获得稳定的宏观统计属性包含分子数多到保证获得稳定的宏观统计属性L L a a特征体积特征体积特征体积特征体积含含含含2.72.7 10101010个空气分子个空气分子个空气分子个空气分子分子平均自由行程
24、分子平均自由行程分子平均自由行程分子平均自由行程1010-6-6cmcm某时刻某时刻某时刻某时刻流场流场流场流场某空间点某空间点某空间点某空间点宏观物理量宏观物理量宏观物理量宏观物理量该时刻占据该空间点该时刻占据该空间点该时刻占据该空间点该时刻占据该空间点流体质点具有的宏观物理量流体质点具有的宏观物理量流体质点具有的宏观物理量流体质点具有的宏观物理量24连续流区:连续流区:连续流区:连续流区:70km130km130km1cm1cm3 3 含含含含10101313个分子个分子个分子个分子分子平均自由行程分子平均自由行程分子平均自由行程分子平均自由行程0.3m0.3m130km130km稀薄空气
25、动力学稀薄空气动力学稀薄空气动力学稀薄空气动力学连续介质连续介质连续介质连续介质 空气动力学角度的大气结构空气动力学角度的大气结构空气动力学角度的大气结构空气动力学角度的大气结构 过渡流区:过渡流区:过渡流区:过渡流区:100-130km100-130km 一点密度一点密度一点密度一点密度压缩压缩压缩压缩膨胀膨胀膨胀膨胀 一点速度一点速度一点速度一点速度某时刻空间某固定点某时刻空间某固定点某时刻空间某固定点某时刻空间某固定点B B的速度的速度的速度的速度=该时刻通过该时刻通过该时刻通过该时刻通过B B点的流体质点的速度点的流体质点的速度点的流体质点的速度点的流体质点的速度连续介质空间连续介质空
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