南京航空航天大学-空气动力学课件第一章..优秀PPT.ppt

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1、流 体 力 学FluidMechanics田书玲南京航空航天高校航空宇航学院shulingtiannuaa.edu第一部分什么是流体？有何特征？什么是流体？有何特征？n自然界中物质存在形式：自然界中物质存在形式：n固体固体n液体液体n气体气体n液体和气体统称流体液体和气体统称流体n固体、液体和气体放置于密闭容器内：固体、液体和气体放置于密闭容器内：n固体保持原有体积和形态；固体保持原有体积和形态；n液体保持原有体积，形态适应容器；液体保持原有体积，形态适应容器；n气体将充溢容器。气体将充溢容器。n流体极易发生剪切变形，静止时不能承受剪切力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

2、个划分力学范畴内的几个划分力力 学学 流体力学流体力学流流体体静静力力学学流体动力学流体动力学液体动力学液体动力学气体动力学气体动力学空气动力学空气动力学其其它它力力学学空气动力学基础部分空气动力学基础部分（课程结构）（课程结构）n预备学问预备学问n偏微分方程、矢量分析偏微分方程、矢量分析n场论、在矢量场内的微积分场论、在矢量场内的微积分n守恒律、热力学定律守恒律、热力学定律n流体力学基本原理和分析方法流体力学基本原理和分析方法n无粘不行压流淌无粘不行压流淌nBernoulli Bernoulli 方程、位流理论与基本解、方程、位流理论与基本解、K-JK-J定理定理n无粘可压流淌无粘可压流淌n

3、热力学定律、等熵流淌、激波理论、高速管流热力学定律、等熵流淌、激波理论、高速管流n粘性流淌边界层理论初步粘性流淌边界层理论初步部件空气动力学部件空气动力学（后续课程结构）（后续课程结构）n低速翼型理论低速翼型理论n几何特点、几何特点、K-JK-J后缘条件、薄翼型理论后缘条件、薄翼型理论n低速机翼气动特性低速机翼气动特性nB-SB-S定律、升力线（面）理论定律、升力线（面）理论n亚音速空气动力学亚音速空气动力学n小扰动线化理论、薄翼型（机翼）气动特性小扰动线化理论、薄翼型（机翼）气动特性n超音速空气动力学超音速空气动力学n薄翼型线化理论、跨音速流淌、超群音速流淌薄翼型线化理论、跨音速流淌、超群音

4、速流淌n计算流体力学（计算流体力学（CFDCFD）n网格生成、限制方程解算网格生成、限制方程解算参考文献参考文献n徐华舫，空气动力学基础，北航版徐华舫，空气动力学基础，北航版nH.Schlichting,Boundary layer theory,7EdnJ.D.Anderson,Introduction to FlightnE.L.Houghton&P.W.Carpenter,Aerodynamics for Engineering StudentsnG.K.Batchelor,An Introduction to Fluid DynamicsnD.J.Tritton,Physical Fl

5、uid Dynamicsn :/mathworld.wolfram /nJ.D.Anderson Fundamentals of Aerodynamics.第一章第一章 流体力学的基础学问流体力学的基础学问n基本任务和应用领域基本任务和应用领域n流体力学的探讨方法流体力学的探讨方法n流体力学发展概述流体力学发展概述n流体介质的物理特性流体介质的物理特性n气动力、力矩及气动力系数气动力、力矩及气动力系数n矢量和积分矢量和积分n限制体、流体微团以及物质导数限制体、流体微团以及物质导数第一章第一章 流体力学的基础学问流体力学的基础学问n基本任务和应用领域基本任务和应用领域n流体力学的探讨方法流体力学

6、的探讨方法n流体力学发展概述流体力学发展概述n流体介质的物理特性流体介质的物理特性n气动力、力矩及气动力系数气动力、力矩及气动力系数n矢量和积分矢量和积分n限制体、流体微团以及物质导数限制体、流体微团以及物质导数流体力学的基本任务流体力学的基本任务n流体力学是探讨流体与四周物体存在相流体力学是探讨流体与四周物体存在相对运动时的运动规律和力的作用的科学对运动时的运动规律和力的作用的科学n探讨对象：与物体相对运动流体探讨对象：与物体相对运动流体n探寻流体运动的基本规律探寻流体运动的基本规律n探讨流体与固体之间的相互作用探讨流体与固体之间的相互作用n应用流体力学规律解决工程技术问题应用流体力学规律解

7、决工程技术问题n预料流体力学新的发展方向预料流体力学新的发展方向第一章第一章 流体力学的基础学问流体力学的基础学问n基本任务和应用领域基本任务和应用领域n流体力学的探讨方法流体力学的探讨方法n流体力学发展概述流体力学发展概述n流体介质的物理特性流体介质的物理特性n气动力、力矩及气动力系数气动力、力矩及气动力系数n矢量和积分矢量和积分n限制体、流体微团以及物质导数限制体、流体微团以及物质导数探讨流体运动的科学探讨流体运动的科学航空航天航空航天探讨流体运动的科学探讨流体运动的科学生物学、仿生学与医学生物学、仿生学与医学探讨流体运动的科学探讨流体运动的科学建筑学、风工程建筑学、风工程By WcP.S

8、cientific.Mind-Posted on 03 October 2008By WcP.Scientific.Mind-Posted on 03 October 2008探讨流体运动的科学探讨流体运动的科学地球物理、大气动力学、气象学地球物理、大气动力学、气象学应用领域应用领域Thermal fluid;Chemistry;MHD,and etcThermal fluid;Chemistry;MHD,and etc.第一章第一章 流体力学的基础学问流体力学的基础学问n基本任务和应用领域基本任务和应用领域n流体力学的探讨方法流体力学的探讨方法n流体力学发展概述流体力学发展概述n流体介质的物

9、理特性流体介质的物理特性n气动力、力矩及气动力系数气动力、力矩及气动力系数n矢量和积分矢量和积分n限制体、流体微团以及物质导数限制体、流体微团以及物质导数主要探讨方法主要探讨方法n试验探讨试验探讨n理论分析理论分析n数值计算数值计算试验设备试验设备风洞风洞 windtunnel80 x120ft,NASAsAmesRes.Center,1999水洞水洞 watertank激波管激波管 shock tube试验测试技术试验测试技术n机械机械n光、电、声、热光、电、声、热流淌显示技术流淌显示技术试验探讨方法试验探讨方法n试验准备工作要求较高试验准备工作要求较高n尽可能解除不必要的影响因素尽可能解除

10、不必要的影响因素n可能涉及机械、力学、光学、电子可能涉及机械、力学、光学、电子n试验结果较为真实、干脆、牢靠试验结果较为真实、干脆、牢靠n模型尺寸限制模型尺寸限制n试验边界的影响试验边界的影响n准备周期长准备周期长n影响因素多，测量过程易受干扰影响因素多，测量过程易受干扰n大量的人力和物力消耗大量的人力和物力消耗理论分析方法理论分析方法n流淌的模型化流淌的模型化问题的抽象表达问题的抽象表达n找出主要因素，忽视次要因素找出主要因素，忽视次要因素n限制方程的建立与解算限制方程的建立与解算n后处理和分析后处理和分析n有助于揭示问题的内在规律有助于揭示问题的内在规律n未计及因素的修正未计及因素的修正n

11、仅适用于简洁问题仅适用于简洁问题数值计算方法数值计算方法n求解方法多样化求解方法多样化n有限差分有限差分(FDM)(FDM)、有限元、有限元(FEM)(FEM)、有限体、有限体积方法积方法(FVM)(FVM)、谱方法、谱方法n对常规问题耗费相对较小对常规问题耗费相对较小n可用于解算困难流场的流淌可用于解算困难流场的流淌n计算者必需对精度、稳定性、模型的合计算者必需对精度、稳定性、模型的合理性有清晰的相识理性有清晰的相识n某些流淌难以精确模拟某些流淌难以精确模拟第一章第一章 流体力学的基础学问流体力学的基础学问n基本任务和应用领域基本任务和应用领域n流体力学的探讨方法流体力学的探讨方法n流体力学

12、发展概述流体力学发展概述n流体介质的物理特性流体介质的物理特性n气动力、力矩及气动力系数气动力、力矩及气动力系数n矢量和积分矢量和积分n限制体、流体微团以及物质导数限制体、流体微团以及物质导数流体力学发展概述流体力学发展概述（-1800）nI.Newton，船舶的阻力,1726nD.Bernoulli,Hydrodynamica,1738nL.Euler,不行压无粘流淌方程组，1755nDAlembert疑题,1744nLagrange,流体动力学解析方法的提出DanielI.Bernoulli(1700-1782)LeonhardPaulEuler(1707-1783)JeanleRondd

13、Alembert(17171783)流体力学发展概述流体力学发展概述（1800-）Simon-DenisPoisson(17811840)Pierre-Simon,marquisdeLaplace(1749-1827)nPoisson,解决了绕球的无旋流淌,1826nLaplace,Laplace方程,1827nRankine,奇点法解Laplace方程，位流理论，1868nHelmholtz,漩涡运动理论，流淌稳定性William JohnMacquornRankine(18201872)HermannLudwigFerdinandvonHelmholtz(18211894)流体力学发展概述

14、流体力学发展概述（1800-）nNavier-Stokes,粘性流体的一般方程,1826,1845nO.Reynolds,湍流,1876-1883,Reynolds平均方程,1895nRankine(1870)-Hugoniot(1887)激波关系式nWright,Flyer-1,1903nKutta-Joukowski(1906)升力公式Claude-LouisNavier(17851836)SirGeorgeGabrielStokes1stBaronetFRS(18191903)OsborneReynolds(18421912)NikolaiY.Zhukovsky(18471921)Mar

15、tinWilhelmKutta(1867-1944)流体力学发展概述流体力学发展概述（1800-）nPrantdl,n边界层理论,1904;升力线理论,1918-1919n湍流边界层的混合长模型,1925;nTollmien(1929)-Schlichting(1933),T-S不稳定性nVonKarman积分关系式nVonKarman-Tsien公式，1944LudwigPrandtl(18751953)WalterTollmien(1900-1968)HermannSchlichting(1907-1982)TheodorevonKrmn(18811963)钱学森(1911-2009)第一

16、章第一章 流体力学的基础学问流体力学的基础学问n基本任务和应用领域基本任务和应用领域n流体力学的探讨方法流体力学的探讨方法n流体力学发展概述流体力学发展概述n流体介质的物理特性流体介质的物理特性n气动力、力矩及气动力系数气动力、力矩及气动力系数n矢量和积分矢量和积分n限制体、流体微团以及物质导数限制体、流体微团以及物质导数流体介质的物理特性流体介质的物理特性n连续介质假设连续介质假设n流体流淌的相关物理量流体流淌的相关物理量n完全气体状态方程完全气体状态方程n压缩性、粘性和传热性压缩性、粘性和传热性n流体的模型化流体的模型化连续介质假设连续介质假设n分子平均自由程分子平均自由程和物体特征尺寸和

17、物体特征尺寸dn自由分子流自由分子流/非连续流淌非连续流淌n和和d在同一量级在同一量级n连续流淌连续流淌 continnum flow n dn低密度流淌低密度流淌n连续介质假设连续介质假设流体介质的物理特性流体介质的物理特性n连续介质假设连续介质假设n流体流淌的相关物理量流体流淌的相关物理量n完全气体状态方程完全气体状态方程n压缩性、粘性和传热性压缩性、粘性和传热性n流体的模型化流体的模型化流淌相关的物理量流淌相关的物理量n n密度密度 Densityn n压强压强 Pressuren n温度温度 Temperaturen n速度速度 Velocity流体的流体的密度密度n n流体微团流体微

18、团n n在连续介质的前提下流场中任取一点在连续介质的前提下流场中任取一点B Bn n其密度为其密度为dv微团体积微团体积微团体积微团体积dm微团质量微团质量微团质量微团质量流体的流体的压强压强n n气体分子在碰撞或穿过取定的表面时，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单位面积上所产生的法向力n n该点压强为该点压强为dA微团面积元的大小微团面积元的大小微团面积元的大小微团面积元的大小dFdAdAdAdA一侧的法向力一侧的法向力一侧的法向力一侧的法向力流体的温度流体的温度n n气体温度气体温度T T 的热力学意义的热力学意义n n高温气体的分子和原子高速随机碰撞，高温气体的

19、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而在低温气体中，分子随机运动相对缓慢些慢些EK气体分子平均动能气体分子平均动能气体分子平均动能气体分子平均动能kBoltzmannBoltzmannBoltzmannBoltzmann常数常数常数常数流体的速度流体的速度n n不同于刚体力学的概念不同于刚体力学的概念n n流体在空间中某点流体在空间中某点B B 的速度就是流体微的速度就是流体微元通过点元通过点B B 时的速度时的速度流体介质的物理特性流体介质的物理特性n连续介质假设连续介质假设n流体流淌的相关物理量流体流淌的相关物理量n完全气体状态方程完全气体状态方程n压缩性、粘性和传热

20、性压缩性、粘性和传热性n流体的模型化流体的模型化完全气体状态方程完全气体状态方程n n一般气体状态方程一般气体状态方程一般气体状态方程一般气体状态方程n n完全气体完全气体完全气体完全气体n n分子间作用力忽视不计分子间作用力忽视不计分子间作用力忽视不计分子间作用力忽视不计n n假设分子间仅存在完全弹性碰撞且只有在碰撞假设分子间仅存在完全弹性碰撞且只有在碰撞假设分子间仅存在完全弹性碰撞且只有在碰撞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时才发生作用时才发生作用时才发生作用n n微粒的实有总体积和气体所占空间相比忽视不微粒的实有总体积和气体所占空间相比忽视不微粒的实有总体积和气体所占

21、空间相比忽视不微粒的实有总体积和气体所占空间相比忽视不计计计计n n完全气体状态方程：完全气体状态方程：完全气体状态方程：完全气体状态方程：流体介质的物理特性流体介质的物理特性n连续介质假设连续介质假设n流体流淌的相关物理量流体流淌的相关物理量n完全气体状态方程完全气体状态方程n压缩性、粘性和传热性压缩性、粘性和传热性n流体的模型化流体的模型化流体的压缩性流体的压缩性n n压缩性压缩性n n体积弹性模量体积弹性模量n n确定质量的气体，体积与密度成反比确定质量的气体，体积与密度成反比n n水和低速空气可看作是不行压的水和低速空气可看作是不行压的流体的粘性流体的粘性Viscous1.aviVis

22、cous1.aviViscous2.aviViscous2.avi流体的粘性流体的粘性 气流速度分布规律是粘性的表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，这种作用力称作在相互牵扯作用，这种作用力称作粘性力粘性力和和内摩擦力内摩擦力。空气粘柱试验模型（卧式转盘）流体的粘性流体的粘性n n流体分子的不规则热运动流体分子的不规则热运动n n质量和动量的交换质量和动量的交换n n牛顿粘性定律牛顿粘性定律思索：思索：物体受绕流哪物体受绕流哪些作用力？些作用力？流体的粘性流体的粘性n n 为动力粘性系数，表征流体粘度大小为动力粘性系数，表征流体

23、粘度大小n n气体气体 随温度上升而增大随温度上升而增大n n液体液体 随温度上升而减小随温度上升而减小n n适用于空气的萨瑟兰公式适用于空气的萨瑟兰公式n n运动粘性系数运动粘性系数 kinematic viscosity kinematic viscosity与压强基本无关与压强基本无关与压强基本无关与压强基本无关流体的热传导特性流体的热传导特性n nFourierFourier公式公式公式公式n n单位时间内通过单位面积所传递的热量与沿单位时间内通过单位面积所传递的热量与沿单位时间内通过单位面积所传递的热量与沿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热流方向的温度梯

24、度成正比热流方向的温度梯度成正比热流方向的温度梯度成正比n n导热系数导热系数导热系数导热系数n n 温度为问题温度方向梯度（导数）温度为问题温度方向梯度（导数）温度为问题温度方向梯度（导数）温度为问题温度方向梯度（导数）流体介质的物理特性流体介质的物理特性n连续介质假设连续介质假设n流体流淌的相关物理量流体流淌的相关物理量n完全气体状态方程完全气体状态方程n压缩性、粘性和传热性压缩性、粘性和传热性n流体的模型化流体的模型化流体的模型化流体的模型化n流体具有多方面的物理属性流体具有多方面的物理属性n考虑全部物理属性，问题特别困难考虑全部物理属性，问题特别困难n关注主导物理属性，忽视次要物理属性

25、关注主导物理属性，忽视次要物理属性n依据实际流淌问题，简化出各种流体模型依据实际流淌问题，简化出各种流体模型流体流淌的不同范畴流体流淌的不同范畴n流淌速度（流淌速度（Mach数）数）n亚、跨、超、超群音速亚、跨、超、超群音速n可压缩性可压缩性n不行压、可压不行压、可压n粘性粘性n无粘、有粘无粘、有粘n热传导热传导n绝热流淌、等温流淌绝热流淌、等温流淌n绝热表示流淌不考虑热传导或导热系数为零绝热表示流淌不考虑热传导或导热系数为零志向流体模型志向流体模型n n志向流体志向流体n n不考虑粘性，也称无粘流体不考虑粘性，也称无粘流体n n典型适用状况典型适用状况n n绕流图画绕流图画n n升力问题升力

26、问题n n失效范围及缘由失效范围及缘由不行压流体模型不行压流体模型n n密度无变更、弹性模量极大、低速空气密度无变更、弹性模量极大、低速空气n n热力学特性可单独考虑热力学特性可单独考虑n n常见模型流淌常见模型流淌n n可压粘性流淌可压粘性流淌n n可压志向流体模型（无粘可压流淌）可压志向流体模型（无粘可压流淌）n n不行压粘性流淌不行压粘性流淌n n无粘不行压流淌（最为简洁）无粘不行压流淌（最为简洁）绝热流体模型绝热流体模型n n绝热流体绝热流体n n不考虑热传导性，热传导系数为零不考虑热传导性，热传导系数为零n n典型适用状况典型适用状况n n低速流淌低速流淌n n高速流淌，但温度梯度较

27、小高速流淌，但温度梯度较小n n超群声速流淌超群声速流淌综合探讨综合探讨粘性流动粘性流动粘性流动粘性流动无粘流动无粘流动无粘流动无粘流动可压流动可压流动可压流动可压流动不可压流动不可压流动不可压流动不可压流动非绝热流动非绝热流动非绝热流动非绝热流动 绝热流动绝热流动绝热流动绝热流动非定常流动非定常流动非定常流动非定常流动 定常流动定常流动定常流动定常流动第一章第一章 流体力学的基础学问流体力学的基础学问n基本任务和应用领域基本任务和应用领域n流体力学的探讨方法流体力学的探讨方法n流体力学发展概述流体力学发展概述n流体介质的物理特性流体介质的物理特性n气动力、力矩及气动力系数气动力、力矩及气动力

28、系数n矢量和积分矢量和积分n限制体、流体微团以及物质导数限制体、流体微团以及物质导数作用于航空器上的气动力作用于航空器上的气动力C-130安225翼型族翼型族n n翼型族翼型族作用于翼型上的气动力作用于翼型上的气动力px0迎角正压力正压力摩擦应力摩擦应力弦向不同坐标系下的气动力不同坐标系下的气动力n n体轴系与风轴系体轴系与风轴系n n升力与阻力（风轴系）升力与阻力（风轴系）n n轴向力与法向力（体轴系）轴向力与法向力（体轴系）体轴系下的气动力体轴系下的气动力问题：下翼面问题：下翼面问题：下翼面问题：下翼面dNdNdNdN与与与与 dA dA dA dA如何表达？如何表达？如何表达？如何表达？

29、Figure1.11inAndersonsFundamentals of Aerodynamics,3rdEd.体轴系下的气动力体轴系下的气动力Figure1.12inAndersonsFundamentals of Aerodynamics,3rdEd.,2001体轴系下的气动力矩体轴系下的气动力矩Here 作用在物面上的气动力与力矩是作用在物面上的气动力与力矩是物面物面压力压力与与剪切应力剪切应力的合成结果的合成结果习惯上俯仰力矩以抬头方向为正！习惯上俯仰力矩以抬头方向为正！笛卡尔坐标系下的状况笛卡尔坐标系下的状况dsdx-dyq问题：问题：问题：问题：LLLL与与与与 D D D D如何

30、表达？如何表达？如何表达？如何表达？流淌相像性与无量纲化流淌相像性与无量纲化n n流淌相像性流淌相像性实际飞行器和风洞试验模型气动力和力矩不相等实际飞行器和风洞试验模型气动力和力矩不相等实际飞行器和风洞试验模型气动力和力矩不相等实际飞行器和风洞试验模型气动力和力矩不相等无量纲化无量纲化n n动压动压n n气动力系数气动力系数n n力矩系数力矩系数无量纲化无量纲化n n压强系数压强系数n n摩擦应力系数摩擦应力系数练习练习n n一个在超群音速无粘流淌中的圆柱一个在超群音速无粘流淌中的圆柱n n为过圆柱面上随意一点的径线与过前为过圆柱面上随意一点的径线与过前缘的径线的夹角缘的径线的夹角n n求阻力系数求阻力系数流体力学问题的一般计算步骤流体力学问题的一般计算步骤物体外形物体外形物体外形物体外形几何数据几何数据几何数据几何数据气动力、力矩气动力、力矩气动力、力矩气动力、力矩CpCpCpCp、C C C Cf f f f分布分布分布分布CFDCFDCFDCFD解算解算解算解算其它后处理其它后处理其它后处理其它后处理压力中心压力中心气动合力的作用点在哪里？气动合力的作用点在哪里？压力中心压力中心Forc/4