空气动力学完整ppt课件.ppt

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绪论及基本概念、知识,空气动力学,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磁流体动力学,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,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,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,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：

气体增压,燃烧室：

气体加热,涡轮：

气体膨胀,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,冲压发动机,亚燃冲压发动机3Ma6,进气道及扩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,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,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2000KT4000KO22O4000KT9000KN22N9000KT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,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。

绕障碍物流动的卡门涡街,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,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%,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,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,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忽略黏性/理想流体不可压流体,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,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,0.2空气动力学的研究对象,相对飞行原理（空气动力学实验原理）当飞行器以某一速度在静止空气中运动时，飞行器与空气的相对运动规律和相互作用力，与飞行器固定不动而让空气以同样大小和相反方向的速度流过飞行器的情况是等效的。

0.2空气动力学的研究对象,相对飞行原理，为空气动力学的研究提供了便利。

人们在实验研究时，可以将飞行器模型固定不动，人工制造直匀气流流过模型，以便观察流动现象，测量模型受到的空气动力，进行试验空气动力学研究。

在理论上，对飞行器空气绕流现象和受力情况进行分析研究时，可用固接在飞行器上的观察者所看到的绕流图画进行研究，只要远前方气流速度V是常数，空气流过物体的绕流图画就不随时间变化。

风洞,机翼绕流流场,建筑物流场,钝头体噪声,飞机,17-20世纪理想流体力学的发展,牛顿简介英国著名的数学家和物理学家（1643-1727）。

牛顿出生于英国林肯郡伍尔索普乡村，是一个遗腹子，3岁母亲改嫁，将他留给外祖父母。

1661年进入剑桥三一学院学习，1665年大学毕业，获得学士学位。

1667年成为三一学院研究员，次年获得文学硕士学位。

1669年牛顿的数学老师辞职，推举牛顿接替数学教授。

1686年完成“自然哲学之数学原理”，提出了流体运动的内摩擦定律。

1695年出任造币厂督办。

1701年辞去三一学院教职，1704年出版“光学”，晚年一直担任英国皇家学会主席，从事圣经的研究。

后人评价：

牛顿是人类史上最伟大的天才：

在数学上，发明了微积分；在天文学上，发现了万有引力定律，开辟了天文学的新纪元；在力学上，总结了三大运动定律，建立了牛顿力学体系；在光学上，发现了太阳光的光谱，发明了反射式望远镜。

17-20世纪理想流体力学的发展,莱布尼慈简介莱布尼慈，德国著名的哲学家和数学家（Leibniz，1646-1716）。

1646年7月生于莱比锡一个名门世家，其父亲是一位哲学教授。

莱布尼慈从小好学，一生才华横溢，在许多领域做出不同凡响的成就。

在数学方面最大的成就是发明了微积分，今天微积分中使用的符号是莱布尼慈提出的。

后来为了与牛顿争发明权问题，他们之间进行了一场著名的争吵。

莱布尼慈自定发明权时间1674年，牛顿1665-1666年。

这场争论使英国与欧洲大陆之间的数学交流中断，严重影响了英国数学的发展。

17-20世纪理想流体力学的发展,微积分问世后，流体成为数学家们应用微积分的最佳领域。

1738年DanielBernoulli出版了“流体力学”一书，将微积分方法引进流体力学中，建立了分析流体力学的理论体系，提出无粘流动流速和压强的关系式，即Bernoulli能量方程。

1755年瑞士数学家欧拉建立了理想不可压流体运动的微分方程组（欧拉方程）。

六年后，拉格朗日引入流函数的概念，建立了理想流体无旋运动所满足的动力学条件，提出求解这类运动的复位势法。

伯努利简介,伯努利，D（DanielBernoulli17001782）瑞士物理学家、数学家、医学家。

1700年2月8日生于荷兰格罗宁根。

著名的伯努利数学家族中最杰出的一位。

他是数学家J伯努利的次子，和他的父辈一样，违背家长要他经商的愿望，坚持学医，他曾在海得尔贝格、斯脱思堡和巴塞尔等大学学习哲学、论理学、医学。

1721年取得医学硕士学位。

伯努利在25岁时（1725）就应聘为圣彼得堡科学院的数学院士。

8年后回到瑞士的巴塞尔，先任解剖学教授，后任动力学教授，1750年成为物理学教授。

在17251749年间，伯努利曾十次荣获法国科学院的年度奖。

1782年3月17日，伯努利在瑞士巴塞尔逝世，终年82岁。

欧拉简介,欧拉LeonhardEuler（17071783年）瑞士数学家欧拉是世界史上最伟大的数学家之一他从19岁就开始著书，直到76岁高龄仍继续写作几乎每个数学领域，都可以看到欧拉的名字如初等几何的欧拉线、多面体的欧拉定理、立体解析几何的欧拉变换公式、四次方程的欧拉解法、数论中的欧拉函数、微分方程的欧拉方程、级数论中欧拉常数、变分学的欧拉方程、复变函数论欧拉公式等欧拉晚年不幸双目失明，在失明后的17年里，他还口述著了几本书和约400篇论文,达朗贝尔简介,1743年在动力学一书中，达朗贝尔提出了达朗贝尔原理，它与牛顿第二定律相似，但它的发展在于可以把动力学问题转化为静力学问题处理，还可以用平面静力的方法分析刚体的平面运动，这一原理使一些力学问题的分析简单化，而且为分析力学的创立打下了基础。

1744年达朗贝尔提出了著名的“达朗贝尔疑题”，即不计流体粘性的话，任意形状的封闭物体，阻力都是零。

达朗贝尔简介,1783年10月29日，一位为人们留下了无限光明的科学巨星悄然远逝。

这一天，伟大的达朗贝尔永远的离开了世界，永远的离开了他为之奉献终生的科学。

达朗贝尔（JeanLeRonddAlembert,1717-1783）法国著名的物理学家、数学家和天文学家，一生研究了大量课题，完成了涉及多个科学领域的论文和专著，其中最著名的有8卷巨著数学手册、力学专著动力学、23卷的文集、百科全书的序言等等。

他的很多研究成果记载于宇宙体系的几个要点研究中。

达朗贝尔生前为人类的进步与文明做出了巨大的贡献，也得到了许多荣誉。

但在他临终时，却因教会的阻挠没有举行任何形式的葬礼。

19-20世纪粘性流体力学的发