哈尔滨工业大学空气动力学自编教材01第1章绪论及基础知识-航院.ppt

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,8学时,2,教材：空气与气体动力学引论 李凤蔚,1.第一章p19，p2022； 2.第二章p2536，p3940； 3.第六章p156161； 4.第十四章p344354。,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,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,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,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,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,当地升力,等效来流,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,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,激波阻力,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37093%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 2000KT4000K O22O 4000KT9000K N22N 9000KT 原子电离OO+e- NN+e- O,N,阳离子O+, N+和自由电子的等离子体,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,学时1,16,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,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,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-1,tn,tn+1,xj-1,xj,xj+1,xj,tn,一阶双曲型线性微分方程,t,x,差分方程,18,建筑物流场,钝头体噪声,飞机,19,发展概述,18世纪：流体力学创建阶段,伯努利,伯努利方程,不可压无黏定常流动 压强、高度及速度关系,欧拉,欧拉方程,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,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,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,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,流函数方程,二维无黏常不可压流动,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,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,21,20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,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,PIV,HWA,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,流体质点,连续介质,研究物体特征尺寸L,y,x,流体质点,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,a,特征体积,含2.71010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2.71019个分子 分子平均自由行程10-8mm,滑移流区：70-100km,30km,1cm3 含41017个分子,自由分子流区：130km,1cm3 含1013个分子 分子平均自由行程0.3m,130km,稀薄空气动力学,连续介质,空气动力学角度的大气结构,过渡流区：100-130km,一点密度,压缩,膨胀,一点速度,某时刻空间某固定点B的速度=该时刻通过B点的流体质点的速度,连续介质空间 流场,流体质点,y,x,流场中某空间点物理量= 占据该点流体质点具有的物理量,运动/静止,同一空间点 不同时刻,不同流体质点占据 具有不同物理量,y,x,26,可压缩性,波义耳实验,气体压力从p增加p+p体积或比容v/单位质量气体占有的容积,压力改变量 比容相对变化量,压缩性流体音速大小 压力变化幅度考虑压缩性？,体积弹性模量,比值,流体的可压缩性系数,空气一个大气压下=10-5m2/N,水一个大气压下=510-10 m2/N,高速/高Ma数运动气体必须考虑可压缩性,传热性,y,T(y+y),x,y,T(y),Qy,y,热传导：分子热运动热能输运 热辐射：电磁波辐射 热对流：流体宏观运动热迁移,静止/运动流体,运动流体,温度分布不均匀,傅立叶定律：单位面积热流量与温度梯度成比例,热量传递方向与温度梯度方向相反 -导热系数W/(m.K),三维空间温度不均匀分布 热传导性为各向同性,高温区,低温区,热能,分子热运动,热辐射 热传导,高超音速,载人飞船“阿波罗”再入大气qr/qc0.3不可忽略热辐射 空间探测器“丘比特”再入大气q=qr忽略可热传导,27,黏性,流体中的切应力与垂直流动方向速度梯度成比例,牛顿内摩擦定律,相邻流层气体以不同宏观速度运动,平均速度气体质点宏观速度 热运动速度气体分子随机运动速度,分子速度,分子随机运动及碰撞,动量交换,1686年牛顿剪切流动实验,牛顿流体,上层宏观速度大动量 下层宏观速度小动量,运动气体相邻各层间分子动量单位时间变化率=剪应力/黏性力,流体中切应力与剪切变形率成比例 切应力流体微团变形流体的易流动性,黏性系数,-动力粘性系数 -运动粘性系数,T,分子无规则热运动速度,动量交换,流体粘性大小的度量,T=288.15K时水=1.75 10-3 N.s/m2 T=288.15K时空气=1.7894 10-5 N.s/m2 T=288.15K且=1.225kg/m3时=1.460710-5 m2/s,流体质点：可忽略尺度效应如膨胀/变形/转动的最小单元 流体微团：大量流体质点组成的具有尺度效应的微小流体团,学时2,y,F,h,v(y),A,B,x,v,28,作用在流体上的力,质量力Rb,作用在体积内每个流体质点上的非接触力 与以外流体无关,地球引力/重力 电磁力 非惯性系中惯性力,某时刻作用于单位质量流体上质量力,某时刻作用于体积微元和整个体积上质量力,只存在重力场,Z,X,Y,S,表面力pn,外界（流体或固体）作用在体积表面S上的力,压力 黏性/摩擦力,体积表面S上面积元S外法向单位向量,设t时刻作用S上表面力,作用于面积元dS及整个表面S上表面力,流体分子间距离大 分子间引力小,法向力,切向力,与黏性有关,流体静止,理想流体=0,流体压力 热力学“压强”,流体质点不能承受拉力,表面力只能指向流体体积内部,可证明：静止流体或运动的无粘流体中某一点压强数值与所取作用面的空间方位无关,29,完全气体及其热力学参数、热力学定律,分子为弹性质点 分子不占有体积 分子间无作用力,完全气体,状态方程 克拉贝隆方程,R-气体常数 空气R=287.06J/kg.K,状态参数：标志热力系内工质所处状态的宏观物理量,基本状态参数,均匀热力系内两个独立状态参数,其他状态参数 过程参数,其他状态参数,与过程有关的热力学参数,大量微观粒子具有的能量,内能u,不包括热力系宏观运动动能和外界作用的能量,分子动能分子移动/转动/内部原子振动T的函数 分子位能分子间相互作用具有的能量 v或的函数 构成分子的化学能和构成原子的原子能,组成热力系,工质流动过程中携带的总能量即内能与推动功之和,焓h,热力学第一定律,外界传给封闭物质系统的热量=系统内能增量+系统对外界做机械功,定容比热,定压比热,热完全气体,30,Cv与Cp关系,比热比,Cv、Cp、k为常数,量热完全气体,真实气体效应,T600K,氧分子O2 氮分子N2,平动+转动,单位质量空气,600KT2500K,氧分子O2 氮分子N2,平动+转动+振动,振动动能,k,2500KT9000K,氧分子O2 氮分子N2,离解如,9000KT,氧分子O2 氮分子N2,电离,T2500K多组分/变成分/有化学反应混合气体,31,熵s,热力系在可逆过程中从外界传入的热量与当时绝对温度之商,等熵关系式,热力学第二定律/熵增原理,绝热变化的孤立系统中,若过程可逆s=0 若过程不可逆s0,32,流体中运动物体所受的力,升阻力及力矩,气动力：空气施加在物面上作用力,垂直指向物面表面压力p 切于物面且与气流方向相同切应力/摩擦力,合力,垂直来流升力L 平行来流阻力D 垂直弦线法向力N 平行弦线轴向力A,迎角,弦线,来流,自由来流动压,参考面积S 参考长度l,二维,升力系数,阻力系数,力矩系数,压强系数,摩擦系数,学时3,33,空气与气体动力学所需的部分数学知识,坐标系,笛卡尔坐标系,Z,X,Y,O,B,C,空间矢量,微增量,r,X,Y,O,r=const,r+dr=const,=const,+d=const,d,空间矢量,圆柱坐标系,Z,34,标量场的梯度,P,P1,Q,=const,+ d=const,方向为变化率最大方向 大小为这个最大变化率数值 标量场不均匀性的量度,哈密顿算子及其在直角坐标系下形式,具有微分和向量双重性质 进行向量计算并对其右边量微分,=const等势面上取任意相邻P1点,等势面=const单位法向量,为方向单位向量,dn为等势面=const和+ d=const间最小距离,在R向的直接微分= 在该方向的投影,哈密顿算子在圆柱坐标系下形式,35,矢量场的梯度张量及其分解,速度梯度张量=变形率张量（对称）+旋转张量（反对称）,与流体微团变形有关,与流体微团旋转有关,36,矢量场的散度,向量中包围M点作微小体积且其表面为s,速度散度,ds,流体微团边界为s，以 运动的边界元 法向单位向量为 ，则,流体微团体积相对变化率=流体速度散度,ds,矢量场的旋度,斯托克斯公式,矢量场V沿有向闭曲线L的环量等于矢量场V的旋度场通过L所张的曲面A的通量,37,闭域、S上的物理量、 一阶偏导数连续,拉普拉斯算子,线/面/体积分关系,若S为的封闭曲面且 为dS的单位外