哈尔滨工业大学空气动力学自编教材01第1章绪论及基础知识-航院.ppt
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1、1,第一章 绪论及基本概念、知识,空 气 动 力 学,授课教师:陈浮 哈尔滨工业大学 能源科学与工程学院 推进理论与技术研究所,8学时,2,教材:空气与气体动力学引论 李凤蔚,1.第一章p19,p2022; 2.第二章p2536,p3940; 3.第六章p156161; 4.第十四章p344354。,3,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
2、磁流体动力学,4,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,5,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
3、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,6,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,7,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
4、增压,燃烧室:气体加热,涡轮:气体膨胀,8,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,9,冲压发动机,亚燃冲压发动机 3Ma6,进气道及扩
5、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,10,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37093%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,
6、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 2000KT4000K O22O 4000KT9000K N22N 9000KT 原子电离OO+e- NN+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,11,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。,12,绕障碍物
7、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,13,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
8、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%,14,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,15,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
9、依据 尺寸/边界/测试仪器及方法限制 耗时/耗力/耗经费,学时1,16,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
10、忽略黏性/理想流体 不可压流体,17,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,
11、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,18,建筑物流场,钝头体噪声,飞机,19,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
12、条件求解,黏性流体力学 空气-气体动力学,20,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
13、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,21,20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
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