南京航空航天大学_空气动力学课件第一章.ppt

流体力学FluidMechanics,田书玲南京航空航天大学航空宇航学院shulingtian,第一部分,什么是流体？有何特征？,自然界中物质存在形式：固体液体气体液体和气体统称流体固体、液体和气体放置于密闭容器内：固体保持原有体积和形状；液体保持原有体积，形状适应容器；气体将充满容器。流体极易发生剪切变形，静止时不能承受剪切力,力学范畴内的几个划分,力学,流体力学,流体静力学,流体动力学,液体动力学,气体动力学,空气动力学,其它力学,空气动力学基础部分（课程结构）,预备知识偏微分方程、矢量分析场论、在矢量场内的微积分守恒律、热力学定律流体力学基本原理和分析方法无粘不可压流动Bernoulli方程、位流理论与基本解、K-J定理无粘可压流动热力学定律、等熵流动、激波理论、高速管流粘性流动边界层理论初步,部件空气动力学（后续课程结构）,低速翼型理论几何特点、K-J后缘条件、薄翼型理论低速机翼气动特性B-S定律、升力线（面）理论亚音速空气动力学小扰动线化理论、薄翼型（机翼）气动特性超音速空气动力学薄翼型线化理论、跨音速流动、高超音速流动计算流体力学（CFD）网格生成、控制方程解算,参考文献,徐华舫，空气动力学基础，北航版H.Schlichting,Boundarylayertheory,7EdJ.D.Anderson,IntroductiontoFlightE.L.HoughtonChemistry;MHD,andetc.,第一章流体力学的基础知识,基本任务和应用领域流体力学的研究方法流体力学发展概述流体介质的物理特性气动力、力矩及气动力系数矢量和积分控制体、流体微团以及物质导数,主要研究方法,实验研究理论分析数值计算,实验设备,风洞windtunnel80 x120ft,NASAsAmesRes.Center,1999,水洞watertank,激波管shocktube,实验测试技术,机械光、电、声、热,流动显示技术,实验研究方法,实验准备工作要求较高尽可能排除不必要的影响因素可能涉及机械、力学、光学、电子实验结果较为真实、直接、可靠模型尺寸限制实验边界的影响准备周期长影响因素多，测量过程易受干扰大量的人力和物力消耗,理论分析方法,流动的模型化问题的抽象表达找出主要因素，忽略次要因素控制方程的建立与解算后处理和分析有助于揭示问题的内在规律未计及因素的修正仅适用于简单问题,数值计算方法,求解方法多样化有限差分(FDM)、有限元(FEM)、有限体积方法(FVM)、谱方法对常规问题耗费相对较小可用于解算复杂流场的流动计算者必须对精度、稳定性、模型的合理性有清楚的认识某些流动难以精确模拟,第一章流体力学的基础知识,基本任务和应用领域流体力学的研究方法流体力学发展概述流体介质的物理特性气动力、力矩及气动力系数矢量和积分控制体、流体微团以及物质导数,流体力学发展概述（-1800）,I.Newton，船舶的阻力,1726D.Bernoulli,Hydrodynamica,1738L.Euler,不可压无粘流动方程组，1755DAlembert疑题,1744Lagrange,流体动力学解析方法的提出,DanielI.Bernoulli(1700-1782),LeonhardPaulEuler(1707-1783),JeanleRonddAlembert(17171783),流体力学发展概述（1800-）,Simon-DenisPoisson(17811840),Pierre-Simon,marquisdeLaplace(1749-1827),Poisson,解决了绕球的无旋流动,1826Laplace,Laplace方程,1827Rankine,奇点法解Laplace方程，位流理论，1868Helmholtz,漩涡运动理论，流动稳定性,WilliamJohnMacquornRankine(18201872),HermannLudwigFerdinandvonHelmholtz(18211894),流体力学发展概述（1800-）,Navier-Stokes,粘性流体的一般方程,1826,1845O.Reynolds,湍流,1876-1883,Reynolds平均方程,1895Rankine(1870)-Hugoniot(1887)激波关系式Wright,Flyer-1,1903Kutta-Joukowski(1906)升力公式,Claude-LouisNavier(17851836),SirGeorgeGabrielStokes1stBaronetFRS(18191903),OsborneReynolds(18421912),NikolaiY.Zhukovsky(18471921),MartinWilhelmKutta(1867-1944),流体力学发展概述（1800-）,Prantdl,边界层理论,1904;升力线理论,1918-1919湍流边界层的混合长模型,1925;Tollmien(1929)-Schlichting(1933),T-S不稳定性VonKarman积分关系式VonKarman-Tsien公式，1944,LudwigPrandtl(18751953),WalterTollmien(1900-1968),HermannSchlichting(1907-1982),TheodorevonKrmn(18811963),钱学森(1911-2009),第一章流体力学的基础知识,基本任务和应用领域流体力学的研究方法流体力学发展概述流体介质的物理特性气动力、力矩及气动力系数矢量和积分控制体、流体微团以及物质导数,流体介质的物理特性,连续介质假设流体流动的相关物理量完全气体状态方程压缩性、粘性和传热性流体的模型化,连续介质假设,分子平均自由程和物体特征尺寸d自由分子流/非连续流动和d在同一量级连续流动continnumflowd低密度流动连续介质假设,流体介质的物理特性,连续介质假设流体流动的相关物理量完全气体状态方程压缩性、粘性和传热性流体的模型化,流动相关的物理量,密度Density压强Pressure温度Temperature速度Velocity,流体的密度,流体微团在连续介质的前提下流场中任取一点B其密度为,流体的压强,气体分子在碰撞或穿过取定的表面时，单位面积上所产生的法向力该点压强为,流体的温度,气体温度T的热力学意义高温气体的分子和原子高速随机碰撞，而在低温气体中，分子随机运动相对缓慢些,流体的速度,不同于刚体力学的概念流体在空间中某点B的速度就是流体微元通过点B时的速度,流体介质的物理特性,连续介质假设流体流动的相关物理量完全气体状态方程压缩性、粘性和传热性流体的模型化,完全气体状态方程,一般气体状态方程完全气体分子间作用力忽略不计假设分子间仅存在完全弹性碰撞且只有在碰撞时才发生作用微粒的实有总体积和气体所占空间相比忽略不计完全气体状态方程：,流体介质的物理特性,连续介质假设流体流动的相关物理量完全气体状态方程压缩性、粘性和传热性流体的模型化,流体的压缩性,压缩性体积弹性模量一定质量的气体，体积与密度成反比水和低速空气可看作是不可压的,流体的粘性,Viscous1.avi,Viscous2.avi,流体的粘性,气流速度分布规律是粘性的表现，具有速度梯度的相邻流层，存在相互牵扯作用，这种作用力称作粘性力和内摩擦力。,空气粘柱实验模型（卧式转盘）,流体的粘性,流体分子的不规则热运动质量和动量的交换牛顿粘性定律,思考：物体受绕流哪些作用力？,流体的粘性,为动力粘性系数，表征流体粘度大小气体随温度升高而增大液体随温度升高而减小适用于空气的萨瑟兰公式运动粘性系数kinematicviscosity,与压强基本无关,流体的热传导特性,Fourier公式单位时间内通过单位面积所传递的热量与沿热流方向的温度梯度成正比导热系数温度为问题温度方向梯度（导数）,流体介质的物理特性,连续介质假设流体流动的相关物理量完全气体状态方程压缩性、粘性和传热性流体的模型化,流体的模型化,流体具有多方面的物理属性考虑所有物理属性，问题非常复杂关注主导物理属性，忽略次要物理属性根据实际流动问题，简化出各种流体模型,流体流动的不同范畴,流动速度（Mach数）亚、跨、超、高超音速可压缩性不可压、可压粘性无粘、有粘热传导绝热流动、等温流动绝热表示流动不考虑热传导或导热系数为零,理想流体模型,理想流体不考虑粘性，也称无粘流体典型适用情况绕流图画升力问题失效范围及原因,不可压流体模型,密度无变化、弹性模量极大、低速空气热力学特性可单独考虑常见模型流动可压粘性流动可压理想流体模型（无粘可压流动）不可压粘性流动无粘不可压流动（最为简单）,绝热流体模型,绝热流体不考虑热传导性，热传导系数为零典型适用情况低速流动高速流动，但温度梯度较小高超声速流动,综合讨论,第一章流体力学的基础知识,基本任务和应用领域流体力学的研究方法流体力学发展概述流体介质的物理特性气动力、力矩及气动力系数矢量和积分控制体、流体微团以及物质导数,作用于航空器上的气动力,C-130,安225,翼型族,翼型族,作用于翼型上的气动力,p,x0,迎角,正压力,摩擦应力,弦向,不同坐标系下的气动力,体轴系与风轴系升力与阻力（风轴系）轴向力与法向力（体轴系）,体轴系下的气动力,问题：下翼面dN与dA如何表达？,Figure1.11inAndersonsFundamentalsofAerodynamics,3rdEd.,体轴系下的气动力,Figure1.12inAndersonsFundamentalsofAerodynamics,3rdEd.,2001,体轴系下的气动力矩,Here,作用在物面上的气动力与力矩是物面压力与剪切应力的合成结果,习惯上俯仰力矩以抬头方向为正！,笛卡尔坐标系下的情况,ds,dx,-dy,q,问题：L与D如何表达？,流动相似性