空气动力学完整ppt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 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 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 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 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3 Ma 6 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2000K T 4000KO2 2O4000K T 9000KN2 2N9000K T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 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 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 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 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 但它的发展在于可以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 1744年达朗贝尔提出了著名的 达朗贝尔疑题 即不计流体粘性的话 任意形状的封闭物体 阻力都是零 达朗贝尔简介 1783年10月29日 一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 达朗贝尔 JeanLeRondd Alembert 1717 1783 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 其中最著名的有8卷巨著 数学手册 力学专著 动力学 23卷的 文集 百科全书 的序言等等 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 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 L M H Navavier 1785 1836 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 1845年爱尔兰数学家斯托克斯 S G G Stockes 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 Navier Stockes 19 20世纪粘性流体力学的发展 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 1895年他导出了雷诺方程 时均流动懂得N S方程 雷诺 OsborneReynolds 1842 1921 英国工程师兼物理学家 维多利亚大学 在曼彻斯特市 教授 19 20世纪粘性流体力学的发展 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 但如果流动的雷诺数很大 那么在流动中粘性力的重要性并不是到处一样的 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 这个概念之所以是突破性的 是因为有了它 无粘流的理论就可以无所顾忌地大踏步向前发展了 另一方面粘流计算限制在薄薄的边界面层内 使纳维 斯托克斯方程得以大大地简化 使许多有实用意义的问题能得到解答 这样粘性流理论也得到了一条新的发展道路 普朗特也被称为近代粘性流体力学之父 LudwigPrandtl简介 LudwigPrandtl简介 LudwigPrandtl1875年2月4日出生于德国弗赖津 Freising 其父亲是一位在Freising附近农业大学的测量学与工程教授 母亲常年有病在家 从小受父亲的影响 他对物理学 机械和仪器特别感兴趣 1894年入Munich大学深造 1900年获博士学位 博士论文方向是弯曲变形下的不稳定弹性平衡问题研究 毕业后负责为一家新工厂设计吸尘器设备时 通过实验解决了管道流动中一些基本的流体力学问题 他所设计的吸尘器仅需要原设计功率的1 3 从此对流体力学感兴趣 1901年担任汉诺威 Hanover 科技大学数学工程系的力学教授 在这里Prandtl提出边界层理论 Boundarylayertheory 并开始研究通过喷管的超音速流动问题 1904年Prandtl在德国海德尔堡 Heidelberg 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 这一理论为流体力学中物面摩擦阻力 热传导 流动分离的计算奠定了基础 是现代流体力学的里程碑论文 从此Prandtl成为流体力学界的知名学者 以后不久他出任德 LudwigPrandtl介绍 国著名的哥廷根 Gottingen 大学应用力学系主任 教授 在这里他建造了1904 1930年期间世界上最大的空气动力学研究中心 在1905 1908年期间 Prandtl进行了大量的通过喷管的超音速流动问题 发展了斜激波 obliqueshockwave 和膨胀波 expansionwave 理论 在1910年 1920年期间 其主要精力转到低速翼型和机翼绕流问题 提出著名的有限展长机翼的升力线理论 liftinglinetheory 和升力面理论 从1920年以后 Prandtl再次研究高速流动问题 highspeedflows 提出著名的Prandtl Glauert压缩性修正准则 compressibilitycorrectionrule 1930年以后 Prandtl被认为是国际著名的流体力学大师 1953年在哥廷根病故 Prandtl毕生在流体力学和空气动力学中的贡献是瞩目的 被认为是现代流体力学和空气动力学之父 thefatherofmodernfluidmechanics 他对流体力学的贡献是可获Nobel奖的 在第二次世界大战期间 1939年9月1日 1945年9月2日 Prandtl一直在哥廷根工作 Nazi德国空军为Prandtl实验室提供了新的实验设备和财政资助 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 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 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发展 理论 实验 计算成为飞行器设计必不可少的途径 莱特兄弟 WilburWright 1867 1912 OvilleWright 1871 1948 儒可夫斯基简介 儒可夫斯基 Joukowski 1847 1921 俄国数学家和空气动力学家 科学院院士 1868年毕业于莫斯科大学物理系 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 提出著名的环量升力定理 1902年创建了莫斯科大学空气动力学实验室 冯 卡门简介 冯 卡门 Von Karman 1881 1963 超声速时代之父 美国空军科技奠基石 现代空气动力学家 1881年出生于匈牙利的布达佩斯 祖父是一个很有名的犹太人 父亲是布达佩斯大学教授 1902年 在布达佩斯皇家理工综合大学获得硕士学位 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 1946年提出超声速相似律 我国学者钱学森师从冯 卡门教授 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 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 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Ma 5 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 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 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 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 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 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 100km 30km 1cm3含4 1017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 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 5 10 10m2 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 qc 0 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 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 3N s m2T 288 15K时空气 1 7894 10 5N s m2T 288 15K且 1 225kg m3时 1 4607 10 5m2 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 y F h v y A B x v 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 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 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 T 600K 氧分子O2氮分子N2 平动 转动 单位质量空气 600K T 2500K 氧分子O2氮分子N2 平动 转动 振动 振动动能 k 2500K T 9000K 氧分子O2氮分子N2 离解如 9000K T 氧分子O2氮分子N2 电离 T 2500K 多组分 变成分 有化学反应混合气体 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 s 0 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 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 c