气体动力学基础1

1、气体动力学基础掌握知识，轻松学习！ 西北工业大学动力与能源学院西北工业大学动力与能源学院国家重点教材配套教学课件引言引言气体动力学发展的四大阶段气体动力学发展的四大阶段第一阶段（气体动力学第一阶段（气体动力学的基础阶段）的基础阶段）工程应用背景工程应用背景 ：蒸汽机和爆炸技术：蒸汽机和爆炸技术 18701870年郎金年郎金雨贡纽导出了激波关雨贡纽导出了激波关系系 18821882年瑞典工程师发明了拉伐尔喷管年瑞典工程师发明了拉伐尔喷管 18871887年马赫导出了马赫角关系年马赫导出了马赫角关系 ，之后，之后斯托道拉、普朗特和迈耶先后实验研斯托道拉、普朗特和迈耶先后实验研究了拉伐尔喷管的流动特

2、性。究了拉伐尔喷管的流动特性。第二阶段（可压缩流体动力学第二阶段（可压缩流体动力学的发展阶段）的发展阶段）1908年普朗特和迈耶提出了激波和膨胀年普朗特和迈耶提出了激波和膨胀波理论波理论 1910年瑞利和泰勒研究得出了激波的不年瑞利和泰勒研究得出了激波的不可逆性；可逆性； 1933年泰勒和马科尔提出了圆锥激波的年泰勒和马科尔提出了圆锥激波的数值解数值解 第三阶段：气体热力学的发展阶第三阶段：气体热力学的发展阶段段（2020世纪世纪3030年代中年代中5050年代末年代末） 19351935年召开讨论了关于年召开讨论了关于“航空中的高速航空中的高速流动问题流动问题”的学术大会，表明了流体力的学术

3、大会，表明了流体力学先驱者对高速问题的关注和重视。之学先驱者对高速问题的关注和重视。之后，由于以喷气飞机、涡轮喷气发动机、后，由于以喷气飞机、涡轮喷气发动机、火箭发动机等为背景的工程问题发展的火箭发动机等为背景的工程问题发展的需求，将空气动力学与热力学相结合，需求，将空气动力学与热力学相结合，这个时期为气体热力学的发展阶段，其这个时期为气体热力学的发展阶段，其特点是在完全气体假设下的气体动力学特点是在完全气体假设下的气体动力学理论和实验逐渐成熟。理论和实验逐渐成熟。 第四阶段：气体热化学和第四阶段：气体热化学和CFDCFD的发的发展阶段（展阶段（2020世纪世纪5050年代末至今）年代末至今）

4、 为了解决航天飞行器、高速飞行器的气动力为了解决航天飞行器、高速飞行器的气动力和气动热问题，解决高温流动问题，必须将和气动热问题，解决高温流动问题，必须将化学热力学、空气动力学、化学动力学及统化学热力学、空气动力学、化学动力学及统计物理学等相结合。其研究背景为空间技术计物理学等相结合。其研究背景为空间技术和战略武器。目前高超声速飞行器的研究仍和战略武器。目前高超声速飞行器的研究仍然是世界各国研究的热点计算流体动力学然是世界各国研究的热点计算流体动力学的发展以惊人的速度取得了举世瞩目的成就。的发展以惊人的速度取得了举世瞩目的成就。因而可以借助计算机解决历史上遗留下来的因而可以借助计算机解决历史上

5、遗留下来的一些难题，从而进一步解决与目前发展相适一些难题，从而进一步解决与目前发展相适应的一系列复杂问题应的一系列复杂问题最早推导出激波的科学家朗 金流体运动的旋转和速度势概念的流体运动的旋转和速度势概念的起源起源 斯托克斯与亥姆霍兹气体动力学基础气体动力学基础的内容简介的内容简介1.1.流体的基本属性及热力学特性流体的基本属性及热力学特性 2.2.流体所遵循的运动规律流体所遵循的运动规律3.3.流体与流体，流体与物体之间的流体与流体，流体与物体之间的相互作用（作用力）相互作用（作用力）本课程的特点本课程的特点理论性强理论性强概念多概念多内容多内容多公式多公式多教学要求及考核方式教学要求及考核

6、方式作业作业 1010分分 期末考试期末考试 8080分分平时成绩：平时成绩：1010分（课堂主动发言分（课堂主动发言者，酌情加分，累计最高者，酌情加分，累计最高1010分）分）气体动力学基础气体动力学基础参考书参考书 流体力学美流体力学美W.F.W.F.修斯修斯J.A. J.A. 布赖顿著布赖顿著 气体动力学基础气体动力学基础 潘锦珊主编潘锦珊主编 热力学与气体动力学基础热力学与气体动力学基础 王新月王新月 主编主编 流体力学基础流体力学基础 邢宗文邢宗文 主编主编 MODERN COMPRESSIBLE FLOW MODERN COMPRESSIBLE FLOW John D. Ander

7、son ,Jr. John D. Anderson ,Jr.几种构形的发动机几种构形的发动机及其工作原理及其工作原理涡轮喷气发动机：进气道压气涡轮喷气发动机：进气道压气机燃烧室涡轮尾喷管机燃烧室涡轮尾喷管各部件的作用：各部件的作用：涡轮风扇发动机涡轮风扇发动机一路通过内涵道的压气机燃烧一路通过内涵道的压气机燃烧室涡轮尾喷管室涡轮尾喷管另一路通过外涵风扇外涵尾喷管另一路通过外涵风扇外涵尾喷管脉冲爆震发动机脉冲爆震发动机:应用于火箭应用于火箭、应用于飞机应用于飞机冲压发动机：冲压发动机：进气道，燃烧室尾喷管进气道，燃烧室尾喷管两种发动机的比较两种发动机的比较强大的工具CFD数值模拟管内流动非定常虚

8、拟演示马赫数压强第一章流体的基本属性 1.1 1.1 流体的基本属性流体的基本属性 1.2 1.2 流体的压缩性与膨胀性流体的压缩性与膨胀性 1.3 1.3 流体的粘性流体的粘性 1.4 1.4 高温气体的属性高温气体的属性 1.5 1.5 流体的导热性流体的导热性1.1 1.1 流体的基本属性流体的基本属性连续介质模型连续介质模型 定义定义: :把气体看作是连绵不断地充满整个空间把气体看作是连绵不断地充满整个空间的、不留任何空隙的连续介质的、不留任何空隙的连续介质。分子间隙分子间隙连续介质连续介质1.21.2流体的粘性流体的粘性虚拟演示虚拟演示 粘性演示 PLAY定义：在流动的流体中，如果各

9、流体层的流速定义：在流动的流体中，如果各流体层的流速不相等，那么在相邻的两流体层之间的接触面不相等，那么在相邻的两流体层之间的接触面上，就会形成一对等值而反向的内摩擦力（或上，就会形成一对等值而反向的内摩擦力（或粘性阻力）来阻碍两气体层作相对运动。即流粘性阻力）来阻碍两气体层作相对运动。即流体质点具有抵抗其质点作相对运动的性质，就体质点具有抵抗其质点作相对运动的性质，就称为流体的粘性。称为流体的粘性。粘性举例粘性举例 譬如看看河中的流水，观察水面上漂浮的树叶等物的譬如看看河中的流水，观察水面上漂浮的树叶等物的速度差别可以发现靠岸处的水流就比河中心的水流慢速度差别可以发现靠岸处的水流就比河中心的

10、水流慢些。这是典型的粘性影响些。这是典型的粘性影响. 摩擦盘也是粘性力在起作用。摩擦盘也是粘性力在起作用。粘性产生的物理原因粘性产生的物理原因 分子不规则运动的动量分子不规则运动的动量交换交换 分子间的吸引力分子间的吸引力vvyFFv牛顿内摩擦定律牛顿内摩擦定律 上式适合于流体作层状运动的情况；上式适合于流体作层状运动的情况； 当当dV/dydV/dy=0=0，或，或 =0=0； 切应力的方向为：当流体层被快层带动时，切应力的方向为：当流体层被快层带动时， 的方向与运动方向一致，当流体层被慢层阻的方向与运动方向一致，当流体层被慢层阻 滞时，的方向与运动方向相反。滞时，的方向与运动方向相反。 上

11、式称为牛顿内摩擦定律。遵守牛顿内摩擦上式称为牛顿内摩擦定律。遵守牛顿内摩擦 定律的流体称为牛顿流体，如水、空气和气定律的流体称为牛顿流体，如水、空气和气 体等本质上都是牛顿流体；明胶，沥青等为非牛顿体等本质上都是牛顿流体；明胶，沥青等为非牛顿 流体。流体。dVFSdydVdy影响粘性系数因素影响粘性系数因素 与流体有关与流体有关 与温度有关：与温度有关：液体：液体：T T升高，粘性系数减小；升高，粘性系数减小； 气体：气体：T T升高，粘性系数增大；升高，粘性系数增大； 与压强有关：与压强有关：P不很高时，影响小，可忽略；不很高时，影响小，可忽略； P很高时，需要考虑影响。很高时，需要考虑影响

12、。 对液体，按下式修正对液体，按下式修正;粘性系数的获取方法：试验；查流力手册；经验公式粘性系数的获取方法：试验；查流力手册；经验公式ppe0 是压强为是压强为0.1013MPa时的粘性系数；时的粘性系数； 是压强为是压强为p时的粘性系数时的粘性系数; 0p混气的粘性系数即速度梯度混气的粘性系数即速度梯度 有多种气体组成的混合气体有多种气体组成的混合气体 速度梯度速度梯度意义为剪切变形角速度意义为剪切变形角速度iiiiiXMXMdVddydt基本概念基本概念 附面层（边界层）的概念附面层（边界层）的概念 理想流体理想流体各种流体的切应力的斜率 塑性流体塑性流体牛顿流体牛顿流体涨塑性流体涨塑性流

13、体假塑性流体假塑性流体dv/dy1.31.3流体的导热性流体的导热性 导热的三种方式：热传导；热对流；热辐射傅立叶定律傅立叶定律Tqn Tn式中，式中，n 是表面的法线方向是表面的法线方向 是沿法线方向的温度梯度是沿法线方向的温度梯度 是导热系数是导热系数2()w m1.41.4高温气体的属性高温气体的属性 当当T600 800度时，空气可以认为是完全气体。度时，空气可以认为是完全气体。 2.600K 800K T 2000K时，分子振动自由度时，分子振动自由度被激发，但是化学反应还末开始，被激发，但是化学反应还末开始， Cp, Cv， k 是温度的函数，是温度的函数，Cv= Cv( T) ,

14、 Cp = Cv+R= Cp ( T) 空气空气2000 T 9000度，会发生电离。度，会发生电离。完全气体比热比的变化( )kk TTvCR600K2000K1.4k 完全气体完全气体 量热完全气体量热完全气体 热完全气体热完全气体, , k Cp Cv( ),( ),( )kk T CpCp T CvCv T为常数为常数；举例举例 【例【例1】一块可动平板和另一块不动平板之间为某种流体，】一块可动平板和另一块不动平板之间为某种流体，两平板间的距离为两平板间的距离为0.5mm，可动板若以，可动板若以0.25m/s的速度移动，的速度移动，为了维持这个速度需要单位面积上的作用力为为了维持这个速

15、度需要单位面积上的作用力为2N/m2,求这求这两块平板间流体的粘度。两块平板间流体的粘度。 解：当两平板间的距离很小时，可以认为平板间流体的流解：当两平板间的距离很小时，可以认为平板间流体的流动速度分布为线性动速度分布为线性 = V/hF= A =(F/A) (h/V)=0.004 N s/ m2【例【例2 2】转轴直径】转轴直径d=0.36md=0.36m，轴承长度，轴承长度l=1ml=1m，轴与轴承之间的缝，轴与轴承之间的缝隙宽度隙宽度 =0.2mm=0.2mm其中充满其中充满 =0.72Pa=0.72Pa s s的油，若轴的转速的油，若轴的转速 n=200r/minn=200r/min， 求克服油的粘性阻力所消耗的功率。求克服油的粘性阻力所消耗的功率。【解】由驱动力矩【解】由驱动力矩=阻力力矩得到阻力力矩得到 1(2 r1l)r1= 2 (2 r2l)r2 再由再由 = dV/dy 则得则得 (dV/dy)1=(dV/dy)2 (r2/r1)2因为缝隙很小，近似认为因为缝隙很小，近似认为r1=r2，速度成线性分布，速度成线性