一维气体动力学Word格式文档下载.docx

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＝气动热力学

＝Aerothermodynamics

●气体动力学

在连续介质的假设下，研究可压缩、有热效应的气体介质的运动规律，和气体与固体之间的相互作用力的学科。

属于经典的牛顿力学体系。

1.2本“气动基础”课程学习的范围、侧重研究的对象

气动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

亚音速流动，跨音速流动，超音速流动，高超音速流动

一维流动，二维流动，三维流动

定常流动，非定常流动

内流问题（燃气轮机，喷气发动机，风洞），外流问题（飞行器）

气流成分无化学变化，有化学变化（燃烧）

气流参数连续变化，突越变化（激波，超音速爆震燃烧波）

航空涡轮发动机

中的气体动力学

航空冲压发动机中的气体动力学

实验台供气段加速段冲压燃烧室尾喷管

加速段冲压燃烧室尾喷管

1.3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）建成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1－3.5km/s（超音速

3-10倍）的超音速燃烧现象，爆震波＝激波＋燃烧波

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是

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，接合理论流体与

实验流体，奠定了现代流体力学气体动力学研究的基础

1930-40年代，卡门Karman（美籍匈），钱学森（中）的机翼举

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，板壳屈曲理论

WorldWarII，亚音速螺旋桨飞机飞到Mach0.5-0.6发展的需求

ColdWar-2000年代，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（Mach5－30）飞行

器发展的需求，带动了气体动力学向理论、实验、数值计算的深度、精度、广度进军

普朗特Prandtl（德）的机翼举力线、举力面理论

机翼气流有环量，即旋涡，对应着升力――以数模代替真实机翼

普朗特，冯·

卡门和钱学森

1.4一维气体动力学研究的特点

●物理概念＋一维（控制体）数学模型

重物理概念，重简化数模，重实验

So,inthestudyofaerothermodynamics,itrequiresyoutolearntheabilityofthinking&

solvingscience&

engineeringissuesbymeansofsomelowerdimensionalkindsoffluidflowequation（s）.

●多维气体动力学（二维、三维、非定常数学模型）

用于1.解空间―时间精细问题，2.推导降维数模

Itwillbestudiedextensivelyintwosuccessivecourses.

Chapter2FundamentalConcepts，

BasicLaws

withtheirFormulae

2.1学习一维气动之前应知的

流体力学基本概念

●无限多个连续分布的流体微团Fluidparticle组成的连续介质的假设Continuumassumption（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

2.2学习一维气动之前应会使用的

热力学概念、定义、定律方程

气体状态方程theequationofstate

（热力学中理想气体＝）完全气体perfectgas

气体状态参数－－内能internalenergy、焓enthalpy

单位质量，实际气体单位质量，完全气体

气体状态参数－－熵entropy当体系从稳态1至稳态2吸热，则

，

定义可逆过程，定比热，单位质量，完全气体

热力学第二定律－－熵增entropyrise

当体系从稳态1至稳态2吸热，则

当可逆过程时

，不可逆过程时

，单位质量

2.3学习一维气动之前应会使用的

流体力学定律――基本方程

流量守恒方程continuityequation

常数有限控制体

曲线流管微段

动量定理方程momentumequation

有限控制体

气流冲量差同上

曲线流管微段

常数无粘性曲线流管

能量守恒方程energyequation,firstlawofthermodynamics

（闭口系统＝）体系，无流动

（稳定流动的开口系统＝）有限控制体，定常流动

单位质量流体，有限控制体，定常流动

单位质量流体，曲线流管微段，定常流动

2.4国际标准大气数学模型（书19页）

大气

实测结果

国际标准大气数学模型

按照中纬度、季节平均的大气实测值，规定：

1．大气看作完全气体

2．相对湿度为

3．海平面常数

，

，

4．

千米以下，温度线性变化，

5．

千米以下，温度为

不变，即同温层

用动量方程的简化形式，极易推导大气数模。

流体静力学方程

完全气体状态方程

就积分出气压

函数式（1-41），式（1-42）。

可查表或编程。

2.5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。

立题步骤：

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

随气流或其中的波面运动的坐标系－就是相对坐标系

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。

例2-3a吸气式喷气发动机的推力公式

用流体控制体的动量定理推导（书36页）

参考系建在飞行的发动机上

例2-4火箭（发动机）垂升加速度公式

用固体质点的动量定理推导（书38页）

参考系建在飞行的火箭上