空气动力学基础PPT课件.ppt

Folie1 1 Folie1 2 Folie1 空气动力学基础和飞行原理 绪论 3 Folie3 1 必须按时听课 上课认真听讲2 坚持考勤制度 有事必须请假3 对缺课1 3的同学不得参加考试4 按时独立完成作业5 平时成绩 作业和出勤 占20 6 两次测验占20 7 期末考试占60 基本要求 4 Folie4 一 物质形态与流体力学定义二 空气动力学的研究对象三 空气动力学的发展进程简介四 空气动力学的分类五 空气动力学的研究方法六 量纲与单位的概念 绪论 5 Folie5 物质存在的三种状态 固态 相对应的为固体液态 相对应的为液体气态 相对应的为气体 一 物质形态与流体力学定义 由物质内部微观结构 分子热运动 分子之间的作用力决定的 6 Folie6 固体 具有固定的形状和体积 在静止状态下 可以承受拉力 压力和剪切力 7 Folie7 液体 具有固定的体积 无固定的形状 在静止状态下 只能承受压力 几乎不能承受拉力和剪切力 8 Folie8 气体 无固定的体积 也无固定的形状 在静止状态下 只能承受压力 几乎不能承受拉力和剪切力 9 Folie9 固体力学 研究固体处于平衡和机械运动规律及其应用的学科 流体力学 研究流体处于平衡和机械运动规律及其应用的学科 流体 液体和气体的统称 具有的特点是易流动性 在静止状态下不能承受剪力 力学 研究物体处于平衡和机械运动规律及其应用的学科称为力学 10 Folie10 空气动力学 研究空气处于平衡和机械运动规律及其应用的学科 空气动力学是流体力学的一个分支 它是从流体力学发展而来 空气动力学是物理学的一个分支 11 Folie11 相对飞行原理 空气动力学实验原理 当飞机以速度v在平静的空气中飞行时 作用在飞机上的空气动力与远方空气以速度v流过静止不动的飞机时所产生的空气动力完全相同 二 空气动力学的研究对象 12 Folie12 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 13 Folie13 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 14 Folie14 风洞 15 Folie13 X 48B翼身融合体飞机 来自美国宇航局和波音公司鬼怪工程部共同合作研发的新一代翼身融合体飞机 这种战斗机更实用 能产生更大的升力 更小的阻力 油耗更低 有望成为未来更节能 更安静的飞机的代表 16 17 18 Folie15 机翼绕流流场 19 Folie15 机翼绕流流场 当气流迎面流过机翼的时候 机翼同气流方向平行 原来是一股气流 由于机翼的插入 被分成上下两股 在翼剖面前缘附近 气流开始分为上 下两股的那一点的气流速度为零 其静压值达到最大 这个点在空气动力学上称为驻点 对于上下弧面不对称的翼剖面来说 这个驻点通常是在翼剖面的下表面 20 Folie15 机翼绕流流场 在驻点处气流分差后 上面的那股气流不得不想要绕过前缘 所以它需要以更快的速度流过上表面 由于机翼上表面拱起 使上方部那股气流的通道变窄 机翼上方的气流截面要比机翼前方的气流截面小 流线比较密 所以机翼上方的气流速度大于机翼前方的气流速度 21 Folie15 机翼绕流流场 而机翼下方是平的 机翼下方的流线疏密程度几乎没有变化 所以机翼下方那个的气流速度和机翼前方基本相同 通过机翼以后 气流在后缘又重新合成一股 根据气流连续性原理和伯努利定理可以得知 机翼下表面受到向上的压力比机翼上表面受到向下的压力要大 这个压力差就是机翼产生的升力 22 Folie17 亚音速情况下飞行的战斗机 23 Folie15 音速是指声音在空气中传播的速度 高度不同 音速也就不同 在海平面 音速约为1225公里 小时 在航空上 通常用M 即马赫 来表示音速 M 1即为音速的1倍 M 2即为音速的2倍 24 Folie15 飞行器以马赫数小于0 8的速度在大气中的飞行是亚音速飞行 飞行器在作亚音速飞行时无激波产生 这时影响其空气动力特性的主要因素是粘性和气流分离 亚音速飞机的最大飞行速度一般以临界马赫数为限 25 Folie18 跨音速情况下飞行的战斗机 26 Folie15 当飞机飞行速度接近音速时 周围的流动态会发生变化 出现激波或其它效应 会使机身抖动 超音速战斗机突破音障瞬间 失控 甚至空中解体 并且还可产生极大的阻力 使难以突破M 1的速度 人们把这种现象称之为音障 27 Folie15 超音速飞机进行亚音速飞行时 除某些动作受到性能限制外 主要是为了省油 并可用于起飞 爬升 巡航 待机 下滑返航 着陆 编队和某些特技飞行等 28 Folie18 跨音速情况下飞行的战斗机 29 Folie18 跨音速情况下飞行的战斗机 30 Folie18 跨音速情况下飞行的战斗机 31 1 公元前的认识 浮力定理 2 公元以后至17世纪的定性描述3 17 20世纪理想流体力学的发展4 19 20世纪粘性流体力学的发展5 空气动力学的发展 三 空气动力学的发展进程简介 32 在中国的春秋战国时期 公元前770 221 中国先农开始兴建大型水利工程 包括灌溉工程 运河工程和堤防工程 当时比较大的灌溉工程有 芍陂 楚相孙叔敖 都江堰和郑国渠 其中 芍陂和都江堰历经两千多年 至今仍再发挥作用 当时对水流运动特性已有足够的认识 1 公元前的认识 浮力定理 33 芍坡 34 郑国渠 35 都江堰 36 古希腊学者 阿基米德在数学 物理学 天文学等方面做出了重要贡献 主要论著 论平板的平衡 论浮体 阿基米德是整个历史上最伟大的数学家之一 后人对阿基米德给以极高的评价 常把他和牛顿 高斯并列为有史以来三个贡献最大的数学家 在流体力学方面 他发现了水的浮力原理 阿基米德简介 37 阿基米德简介 38 阿基米德的名著 论浮体 是公元前250年最早的关于流体力学的著作 流体静力学的基本原理 水的浮力原理 即物体在液体中减轻的重量 等于排去液体的重量 后来以 阿基米德原理 著称于世 并由此开创了流体静力学的研究 阿基米德简介 39 阿基米德简介 40 Eddas文学集 纪录了一个源于五世纪北欧的古代神话故事 故事说的是有一个以制造兵器为职业的铁匠Wayland 他制造了一套可以穿在身上的飞行翅膀 2 公元以后至17世纪的定性描述 41 根据传说 Wayland制成他的第一套飞行翅膀后 就开始同他的兄弟Egil一同进行实验 也就是作一次试飞 他兄弟问他 我应当怎么办呢 我在这方面一点也不懂 Wayland缓慢地强调说道 顶着风飞 你就容易升高向上 以后 当你下降的时候 要顺着风飞扬 Egil按照他的话穿好羽毛衣裳 并且立刻高飞在空中 迅速得象鸟一样 42 2020 1 15 43 李白 大鹏一日同风起 扶摇直上九万里 假令风歇时下来 犹能簸却沧溟水 世人见我恒殊调 闻余大言皆冷笑 宣父犹能畏后生 丈夫未可轻年少 44 他是一位名律师和农家女子的私生子 小时侯虽然没有受过正式的教育 主要在家随父亲读书自学 但从小勤奋学习 才智过人 思维敏捷 很快在许多方面做出了令人惊叹的成绩 达 芬奇 意大利文艺复兴时期的科学和艺术全才 45 他是一位思想深邃 学识渊博 多才多艺的画家 寓言家 雕塑家 发明家 哲学家 音乐家 医学家 生物学家 地理学家 建筑工程师和军事工程师 他是一位天才 他一面热心于艺术创和理论研究 研究如何用线条与立体造型去表现形体的各种问题 另一方面他也同时研究自然科学 达 芬奇 意大利文艺复兴时期的科学和艺术全才 46 LeonardoDaVinci 47 48 3 17 20世纪理想流体力学的发展 牛顿 英国著名的数学家和物理学家 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 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 发现太阳光的光谱 发明了反射式望远镜 49 50 莱布尼茨 德国著名的哲学家和数学家 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数学交流中断 严重影响了英国数学的发展 51 52 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年伯努利出版了 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 即伯努利能量方程 53 伯努利 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 在25岁时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 54 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 55 欧拉 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 56 达朗贝尔 法国著名的物理学家 数学家和天文学家 一生研究了大量课题 完成了涉及多个科学领域的论文和专著 1743年在 动力学 一书中 达朗贝尔提出了达朗贝尔原理 把动力学问题转化为静力学问题处理 还可以用平面静力的方法分析刚体的平面运动 这一原理使一些力学问题的分析简单化 而且为分析力学的创立打下了基础 57 1783年10月29日 这位为人们留下了无限光明的科学巨星悄然远逝 这一天 伟大的达朗贝尔永远的离开了世界 永远的离开了他为之奉献终生的科学 他的很多研究成果记载于 宇宙体系的几个要点研究 中 达朗贝尔生前为人类的进步与文明做出了巨大的贡献 也得到了许多荣誉 但在他临终时 却因教会的阻挠没有举行任何形式的葬礼 58 4 19 20世纪粘性流体力学的发展 19世纪人们开始认识粘性流体动力学的基本问题 1826年法国工程师纳维将欧拉流体运动方程加以推广 加入了粘性项 导出了粘性流体运动方程 59 4 19 20世纪粘性流体力学的发展 1845年爱尔兰数学家斯托克斯 1819 1903 在剑桥大学从另外不同的出发点 也导出了粘性流体运动方程 现在粘性流体运动方程称为纳维 斯托克斯方程或N S方程 60 4 19 20世纪粘性流体力学的发展 英国工程师兼物理学家雷诺在1883年试验粘性流体在小直径圆管流动时 发现实际流动有两种流态 分别称为层流和湍流 相应的阻力规律也不同 决定流态的是一个复合参数 该参数此后被称为雷诺数 61 1904年普朗特提出了边界层理论 他认识到虽然所有的实际流体都是有粘性的 但 离开物体表面很远的地方粘性力基本上不起作用 只在物面附近 一层很薄的流体 称边界层 内 粘性力才是重要的 才是必须考虑的 这样就可以把整个流动分成两部分来处理 远离物面的大部分地区可以用无粘的理论作计算 而贴近物面的一层流体的流动需要作粘流计算 62 普朗特 1875年2月4日出生于德国 从小对物理学 机械和仪器特别感兴趣 1904年普朗特在德国海德尔堡第三次国际数学年会上发表了著名的关于边界层概念的论文 从此普朗特成为流体力学界的知名学者 普朗特毕生在流体力学和空气动力学中的贡献是令人瞩目的 被认为是现代流体力学和空气动力学之父 63 5 空气动力学的发展 20世纪20 30年代 空气动力学的理论和实验得到迅速发展 所建造的许多低速风洞 对各种飞行器研制进行了大量的实验 从而很大程度上改进了飞机的气动外形 实现了飞机动力增加不大的情况下 使飞机的飞行速度从50m s增大到170m s 64 5 空气动力学的发展 20世纪创建了空气动力学完整的科学体系 并得到了蓬勃的发展 美国莱特兄弟是两个既有实践经验又有理论知识 且富有想象力和远见的工程师 1903年12月27日 奥维尔 莱特驾驶他们设计制造 飞行者一号 首次试飞成功 这是人类历史上第一架有动力 载人 持续 稳定 可操纵的飞行器 从此开创了飞行的新纪元 其后 飞机的发展推动了空气动力学的迅速发展 65 5 空气动力学的发展 66 5 空气动力学的发展 20世纪30 40年代 建造了一批超音速风洞 使飞机在40年代末突破了 音障 50年代随后突破了 热障 实现了超音速飞行和人造卫星 20世纪50年代以后 电子计算机的出现 使计算空气动力学得到迅速的发展 理论 实验 计算成为飞行器设计必不可少的途径 67 儒可夫斯基 俄国数学家和空气动力学家 科学院院士 1886年起历任莫斯科大学和莫斯科高等技术学校教授 直至1921去世 一直在这两所学校工作 他一生有170多部著作 其中60多部是论述空气动力学和飞行器的 是实验和理论空气动力学的创始人 1902年创建了莫斯科大学空气动力学实验室 68 冯 卡门 超声速时代之父 美国空军科技奠基石 现代空气动力学家 1908在德国哥廷根大学获得博士学位 师从普朗特教授 1926年移居美国 负责加州理工大学风洞设计工作 提出卡门涡街理论 1935年 提出超声速阻力原则 1938年提出边界层控制理论 1941年提出高速飞行机翼压力分布公式 我国学者钱学森师从冯 卡门教授 69 波音767 70 鹈鹕 大型地效飞机 71 新一代超音速客机 72 F22战斗机 73 四空气动力学的分类 飞行器空气动力学 房屋 坑道通风高层建筑的风压汽车 高速列车的阻力 工业空气动力学 飞行器在大气中飞行时的空气动力学问题鼓风机 涡轮机 风力发电机的气动力问题 空气动力学 74 低速空气动力学 亚音速空气动力学跨音速空气动力学超音速空气动力学 高速空气动力学 空气动力学 75 五空气动力学的研究方法 76 实验研究的主要设备有风洞 水洞 激波管和测试仪器 此外还有自由飞实验和高速轨道车等实验办法 理论研究运用基本的概念 定律和数学工具 抓住问题的主要作用因素 采用某种抽象出来的模型 作定量的分析 从而获得规律和结果 五空气动力学的研究方法 77 数值计算通过有效的计算方法 有限基本解法 有限差分法 有限元素法等 利用计算机对实际流动的问题进行数值模拟 实验研究 理论分析和数值计算三种方法各有利弊 相辅相成 互相促进 五空气动力学的研究方法 78 1 基本概念物理量 简称量 表示定性区分和定量确定现象和物质的一种属性在力学系统中 只有三个量是独立的 称为基本物理