空气动力学研究生课程第一章ppt课件

04.05.2020,.,1,第一章基本概念与定义,空气动力学基础（II）,04.05.2020,.,2,目录1.1引言1.2量纲与单位制1.3热力学定律1.4平衡条件1.5流体属性1.6压力1.7粘性1.8驻点性质1.9绝热壁温度1.10音速1.11马赫数、马赫角1.12流体流动分类,04.05.2020,.,3,1.1引言学科名（Discipline）主要研究范围（PrimaryScope）（1）流体力学：不可压缩流体动力学FluidDynamicsIncompressibleFluidFlow（2）空气动力学（主要指外流）：不可压缩可压缩流体动力学AerodynamicsIncom-Com-pressibleFluidFlow（3）气体动力学不可压缩可压缩加热化学反应流体动力学GasDynamicsIncom-Com-Thermo-Chemo-FluidFlow气动热力学Aerothermodynamics,04.05.2020,.,4,气体动力学在连续介质假设下，研究可压缩、有热效应气体介质的运动规律，和气体与固体之间相互作用的学科。属于经典的牛顿力学体系。,04.05.2020,.,5,气动动力学是在经典流体力学的基础上，结合热力学和化学动力学而发展起来的，可分为（1）亚音速流动，跨音速流动，超音速流动，高超音速流动（2）一维流动，二维流动，三维流动（3）定常流动，非定常流动（4）内流问题（燃气轮机，喷气发动机，风洞），外流问题（飞行器）,04.05.2020,.,6,气体动力学发展简史专门研究始于1870年代1687，1759，1816，牛顿，欧拉，拉普拉斯分别尝试计算音速；1755，欧拉(瑞士)建立无粘性流体力学欧拉方程组，连续性假设；1839，1855，圣维南(法)等给出气体通过小孔时速度的计算公式；1845，Navier(法),Stokes(英)等建成流体力学不可压N-S方程组；1869,87，兰金(英)许贡纽(法)理论研究大波幅强扰动波激波；1881，贝特洛Berthelot(法)等，马兰德Mallard等分别不期而实验发现了管中火焰传播速度高达13.5km/s（超音速3-10倍）的超音速燃烧现象，爆震波激波燃烧波,04.05.2020,.,7,1883，拉瓦尔Laval（瑞典）在研制蒸汽轮机时发明拉瓦尔喷管；1887，马赫Mach（奥地利）弹丸实验发现超声速流动特征；1899,1905，查普曼Chapman和儒盖Jouguet各自独立地创立了平稳自持爆震理论，后者后来还写出第一本爆炸力学著作炸药的力学；1902，恰普雷金（俄）博士论文用速度图法研究气体亚音射流；1904-20年代，普朗特Prandtl（德）的普朗特迈耶流动理论（超音速膨胀波和弱压缩波），风洞技术，边界层理论，机翼举力线、举力面理论，湍流理论，综合理论与实验流体研究成果，奠定了现代流体力学、气体动力学研究的基础,04.05.2020,.,8,1930-40年代，卡门Karman（美籍匈），钱学森（中）的机翼升力面理论，机翼非定常流理论，非线性小扰动方法，跨音速机翼理论，高超音速气动加热理论等；二次世界大战（WorldWarII），亚音速螺旋桨飞机飞到Mach0.5-0.6；冷战（ColdWar）-至今，超音速涡轮式喷气飞机、航天运载器、超音速冲压飞行器、高超音速冲压（Mach530）飞行器发展的需求，从深度、精度、广度方面，极大推动了气体动力学理论、实验、数值计算研究。,04.05.2020,.,9,应了解的流体力学基本知识,无限多个连续分布的流体微团Fluidparticle组成的连续介质假设Continuousassumption（Euler明确，1752）。而非分子论。适用于,例如100公里以下的大气与飞行器一维定常流1-DSteadyflow，流线Streamline，控制体Controlvolume（相应于欧拉法Eulerianmethod）国际标准单位制TheInternationalSystemofunits，SI制，kg,m,s国际标准大气InternationalStandardAtmosphere，ISA，1962年，美国标准大气U.S.StandardAtmosphere；InternationalCivilAeronauticalOrganization确定为ISA,04.05.2020,.,10,绝对、相对坐标系，选取参考系在气流、观察者、飞行器三者之间，气体动力学研究含有气流速度的问题。是指气流对于参考系而言的速度。（1）飞行问题：静止大气坐标系就是绝对坐标系AbsFrame；飞行器坐标系就是相对坐标系RelaFrame；风洞问题：飞行器坐标系就是绝对坐标系；（2）为观察者应用定律时直观简捷，可将观察者固系于绝对系或相对系，就形成参考系ReferenceFrame。,04.05.2020,.,11,本书的章节结构1、FUNDAMENTALCONCEPTANDDEFINITIONS2、EQUATIONSOFFLOW3、ISENTROPICFLOW4、NORMALSHOCKWAVES5、ADIABATICFRICTIONALFLOWINACONSTANT-AREADUCT6、FLOWWITHHEATINTERACTIONANDGENERALIZEDFLOW7、TWODIMENSIONALWAVES8、LINEARIZEDFLOW9、METHODOFCHARACTRERISTICS10、METHODSOFEXPERIMENTALMEASUREMENTS,注：第一章-第六章主要讲述一维流的基本概念、定义及基本方程及关系。第七章-第九章主要讲述二、三维流的基本概念及内容,04.05.2020,.,12,1.2DIMENSIONSANDUNITS（量纲和单位制）,量纲的作用：描述物理量单位及物理量基本关系常用的基本量纲有:ForceFMassMLengthL、TimetTemperatureT,例如：速度、密度和面积的量纲：,04.05.2020,.,13,由特定量纲系统所描述的量纲单位相容性：FMLt量纲系统（4个基本量纲，Force,Mass,Length,Time)如，力单位为磅力（lbf），质量单位为磅（lbm），长度单位为英尺（ft），时间单位为秒（s）磅力：以加速度加速1磅质量所需要的力。则由牛顿第二定律建立量纲之间的平衡性，可得,04.05.2020,.,14,如，力单位为千克力（kgf），质量单位为千克（kg），长度单位为米（m），时间单位为秒（s）千克力：以加速度加速1千克质量所需要的力同样，由牛顿第二定律可得,达因力：以加速度1cm/s2加速1克质量所需要的力,04.05.2020,.,15,如果，常数gc定义为无量纲常数且绝对大小为1，则导致了MLt(3个基本量纲，Mass,Length,Time),FLt（3个基本量纲，Force,Length,Time)从基本量纲导出的量纲，称为导出量纲国际单位系统（SI)，基于MLt量纲系统质量单位:千克（kg），长度单位:米（m），时间单位:秒（s）以加速度1m/s2加速1千克质量所需要的力，称为1牛(N)1N=1kgm/s2以1牛推进物体1米距离所做的功，称为焦尔(J)1J=1Nm=1kgm2/s2单位时间内所做的功，称为瓦特（W)1W=1J/s=1Nm/s=1kgm2/s3,04.05.2020,.,16,04.05.2020,.,17,1.3热力学定律,常见的热力学系统：固定质量系统；控制体（1）固定质量系统特点：由一定数量的同性流体微团构成；存在系统边界面；系统空间位置、大小、形状随流动而发生变化；系统可以通过边界面与外界发生能量交换（传热，做功）系统与外界环境无质量交换（注：如果系统与外界环境没有质量和能量交换，则称为孤立系统）,04.05.2020,.,18,1.3热力学定律,（2）控制体特点：存在系统封闭边界面，具有确定的边界面几何形状？；通过边界面与外界发生能量、质量交换；控制体可以是静止的，常速或变速运动；（注：如果系统与外界环境不存在质量交换，此时等同于固定质量系统）,04.05.2020,.,19,补充：热力学零定律：如果两个物体同时与第三个物体达到热平衡，则这两个物体也处于热平衡。体系的热平衡状态完全由体系内部的热运动情况决定，处于同一热平衡状态下的热均匀体系具有相同的内部特征-温度。“温度相等是热均匀体系达到热平衡的充分必要条件”,04.05.2020,.,20,补充：热力学平衡态：是指这样的一种状态，其系统的各种宏观性质，在长时间内不发生任何变化，如果系统处于非平衡状态，经过一定的时间之后，才能达到平衡状态。“系统不能自发地改变自己所处的平衡状态，如果要改变平衡状态，必须有外力的作用-传热或做功”特点：宏观参量与时间无关，系统内部不再有宏观物理过程发生，因此引入状态参量描述系统平衡态。,04.05.2020,.,21,处于平衡状态或近平衡状态的热力学系统，通过引入状态参量由热力学定律进行描述。状态参量：强度参量（与系统体积、质量无关），如压力、温度广延参量（与系统质量有关），如内能、体积热力学系统内能：其中，S为熵，V为体积，ni为气体组分摩尔数内能变化表示为,系统组分不变,04.05.2020,.,22,热力学第一定律：指包括热交换、做功在内的广义的能量守恒定律。该定律构建了状态函数内能的定义。（1）热力学第一定律（固定质量系统）形式分子平均动能+分子势能电磁能宏观运动动能宏观运动势能（2）热力学第一定律（控制体系统）形式边界面传热控制体边界面做功流体质量交换导致的能量变化（流入为正，流出为负）,04.05.2020,.,23,热力学第二定律：热力学第二定律指出一切涉及热现象的宏观过程是不可逆的，阐明了能量转换or传递的方向、条件和限度。相应的状态函数为熵，熵的变化指明了热力学过程进行的方向，熵的大小也反映了系统所处状态的稳定性。熵的定义：补充：克劳修斯不等式（Clausius)在任意循环过程中，有，其中等号仅对可逆循环过程成立。*当过程可逆，Clausius不等式告诉在两个状态之间的积分与积分路径（过程）无关，说明可以定义一个状态参量熵。即,04.05.2020,.,24,不可逆过程中，由于传热和不可逆性导致的熵变化，有：对于可逆或准可逆过程，结合热力学第一定律和第二定律，可得：,H=U+pV,热力学温度,压力,04.05.2020,.,25,1.4CONDITIONSOFEQUILIBRIUM(平衡条件）对于孤立系统（系统与外界没有质量和能量交换，dE=0anddV=0），由热力学第二定律可知,系统熵总是增加或不变的，即：当该孤立系统经历某一实际变化过程，仅仅那些熵增的状态才是实际可能存在的，同时也意味着“不能回到初始状态，而是朝某一方向发展，重新达到新的稳定平衡状态。因此，此时孤立系统熵最大.,04.05.2020,.,26,研究一个这样的处于平衡态的孤立系统，建立满足稳定平衡态的状态参量关系，如图所示：,a,b,孤立系统处于稳定的平衡态（刚性、不可穿透、可导热壁面）,dua=-dub,dva=dvb=0,系统du=0,熵最大条件,热平衡条件,壁面,04.05.2020,.,27,dua=-dub,dva=-dvb,dna=-dnb,系统du=0,熵最大条件,孤立系统处于稳定的平衡态（可移动、可穿透、可导热壁面）,内能，体积，摩尔数,a,b,壁面,04.05.2020,.,28,从上述孤立系统熵变化关系式，可以看出：（1）当热力平衡不存在时，TaTb，由热力学第二定律，dS0,因此dUaPb，由热力学第二定律，dS0,因此dVa0,因此壁板从a区域传到b区域，流动从高压区到低压区。（3）当质量平衡不存在时，摩尔化学势能uaub，由热力学第二定律，dS0,因此dna0,因此质量从a区域传到b区域，从高浓度区域到低浓度区域。,04.05.2020,.,29,1.5PROPERTIESOFFLUIDS(流体属性),流体(GasandLiquid):根据密度与压力变化关系,可分为:可压缩流体:密度与压力变化显著相关不可压缩流体:密度变化微小,可被忽视对于可压缩流体,密度是压力与密度的函数:,密度变化:,体积变化:,04.05.2020,.,30,1.5PROPERTIESOFFLUIDS(流体属性),体积膨胀系数:常压条件下,温度微小变化导致流体体积(或密度)的相对变化量,其对应的表达形式为,等温压缩性系数:常温条件下,压力微小变化导致流体体积(或密度)的相对变化量,其对应的表达形式为,注:公式中负号是由于压力或温度变化时,体积与密度变化趋势相反,04.05.2020,.,31,密度变化:,体积变化:,因此,流体体积(或密度)变化可用体积膨胀系数和压缩性系数表示:,体积弹性模量(E):压力变化与体积(或密度)相对变化量的比率.,注:对固体或液体而言,压力变化产生的温度变化可以忽视,压缩性系数K与体积弹性模量E互为倒数.对气体而言,由于dT/dp可以有不同变化,因此气体的体积弹性模量E不是属性,04.05.2020,.,32,状态方程:,定容比热:,定压比热:,比热比:,等熵关系式:,(Z为有限值,完全气体z=1),真实气体与完全气体偏差因子,04.05.2020,.,33,1.6Pressure,静压是指随流体相同速度运动的测压装置所测压力值。流体静力学，静压为标量，指向任意方向；理想流体或无粘流体（正压流体），压力为标量，指向任意方向；粘性流体，静压与应力张量密切相关。,04.05.2020,.,34,1.7VISCOSITY（粘性）,粘性是大量流体微团之间动量交换导致的现象。,附面层速度型（层流速度型与湍流速度型差异？）,04.05.2020,.,35,对于牛顿流体，粘性应力与速度梯度关系：,为动力粘性系数，是流体属性，与温度和压力有关。,为运动粘性系数。,牛顿流体假设：（1）当流体处于静止状态时,仅有法向应力;（2）粘性应力与变形速度呈线性关系;（3）流体是各向同性的,即流体的所有性质如粘性热传导率在每点的各个方向都是相同的,即流体性质不依赖于方向或坐标变化.,04.05.2020,.,36,04.05.2020,.,37,1.8STAGNATIONPROPERTIES（驻点性质）,假设流体微团通过一个给定点，对应的当地压强、温度、密度、马赫数、速度分别为假想流体微团被绝热地减速为静止所对应的温度，定义此时流体微团对应的温度，称为总温T0假想流体微元被绝热地减速为静止时对应的焓值，称为总焓当流体微元被等熵地减速至静止时对应的压强和密度被定义为总压和总密度。,04.05.2020,.,38,1.9ADIABATICWALLTEMPERATURE（绝热壁温度）,04.05.2020,.,39,1.10SPEEDOFSOUND（声速）,连续性方程,动量方程,声波是微弱扰动，可以看成等熵流,04.05.20