《空气动力学基础》课件第0章.pptx

1、空气动力学基础 Northwestern Polytechnical University,XIAN 航天学院空气动力学教学组课程简介与教学安排2航天学院通识课56学时：48学时理论课学习8学时实验考核方式：总成绩=80%*期末考试成绩+20%*平时成绩要求：认真听课，勤于思考，认真对待课后作业与思考题课程内容安排3第二章 流体力学基本原理和方程第三章 不可压理想流体绕物体的流动第四章 高速可压缩流基础知识第五章 一维定常可压缩管内流动第六章 附面层和黏性流动第一章 流体力学基础知识 第七章绕翼型的低速流动第八章绕翼型的可压缩流动课程教材与参考书4课程教材：徐敏等.空气动力学基础.2018参考

2、书John D Anderson.Fundamental of aerodynamics.Mcgraw-Hill.吴望一.流体力学.北京大学出版社,2009第0章 绪论50-2 空气动力学发展概述空气动力学发展概述0-3 空气动力学分类空气动力学分类0-5 空气动力学研究方法空气动力学研究方法0-1 空气动力学问题的概述空气动力学问题的概述0-4 飞行器的气动问题飞行器的气动问题0-6 未来飞行器的气动问题未来飞行器的气动问题第0章 绪论6 60-2 空气动力学发展概述空气动力学发展概述0-3 空气动力学分类空气动力学分类0-5 空气动力学研究方法空气动力学研究方法0-1 空气动力学问题的概述

3、空气动力学问题的概述0-4 飞行器的气动问题飞行器的气动问题0-6 未来飞行器的气动问题未来飞行器的气动问题自行车运动员为什么要戴一个圆头尖尾的帽子？能否反自行车运动员为什么要戴一个圆头尖尾的帽子？能否反过来戴成尖头圆尾，或做成尖头尖尾？过来戴成尖头圆尾，或做成尖头尖尾？概论0-1空气动力学问题的概述7大雁为什么会排成大雁为什么会排成“人人”字或字或“一一”字飞行？字飞行？概论0-1空气动力学问题的概述8为什么空气阻力是汽车速度的最终限制？为什么汽车为什么空气阻力是汽车速度的最终限制？为什么汽车和飞机作高速运行时，在功率（燃料消耗）上必须付和飞机作高速运行时，在功率（燃料消耗）上必须付出与速度

4、增加不成比例的超乎想象的高代价？出与速度增加不成比例的超乎想象的高代价？概论0-1空气动力学问题的概述9为什么为什么超声速喷超声速喷气飞机尾喷管、导弹发射以及火箭发射的气飞机尾喷管、导弹发射以及火箭发射的尾喷管处都会出现尾喷管处都会出现“大辫子大辫子”状的喷流？状的喷流？概论0-1空气动力学问题的概述10空气运动空气运动物体运动物体运动空气动力学空气动力学空气空气与物与物体之体之间力间力空气空气运动运动基本基本规律规律概论0-1空气动力学问题的概述质量守恒质量守恒 动量守恒动量守恒 能量守恒能量守恒 热力学第一、第二定律热力学第一、第二定律外部绕流外部绕流内部流动内部流动航空航天航空航天类飞行

5、器类飞行器气动布局气动布局发动机发动机内流场内流场高高超声超声速飞速飞行行器一体器一体化设计化设计认识现象认识现象找出规律找出规律表述关系表述关系解决问题解决问题概论0-1空气动力学问题的概述0-1空气动力学问题的概述空气动力学在航天方面的重要性13发射：火箭空气动力学发射：火箭空气动力学亚轨道飞行：稀薄气体动力学与轨亚轨道飞行：稀薄气体动力学与轨道动力学的耦合道动力学的耦合返回舱：弹道进入返回舱：弹道进入(升力小，主要靠升力小，主要靠阻力减速阻力减速)航天飞机返回：升力回收航天飞机返回：升力回收(滑翔）滑翔）与空气动力学相关的任务段与空气动力学相关的任务段0-1空气动力学问题的概述载人航天1

6、3项关键技术14外形设计技术；外形设计技术；返回舱技术；返回舱技术；气动力，热和结构技术；气动力，热和结构技术；大型降落伞技术；大型降落伞技术；飞行力学及实验技术；飞行力学及实验技术；着陆缓冲技术；着陆缓冲技术；回路系统流体冷却和微重力技术；回路系统流体冷却和微重力技术；生保和救生技术；生保和救生技术；可靠性指标验证技术；可靠性指标验证技术；地面测试和故障再现模拟诊断技术；地面测试和故障再现模拟诊断技术；舱门，座椅缓冲技术；舱门，座椅缓冲技术；连接与分离技术；连接与分离技术；总体返回轨道技术。总体返回轨道技术。这这1313项技术，项技术，都与力学相关都与力学相关而直接与空气而直接与空气动力学相

7、关的就动力学相关的就有有1010项。项。第0章 绪论15150-2 空气动力学发展概述空气动力学发展概述0-3 空气动力学分类空气动力学分类0-5 空气动力学研究方法空气动力学研究方法0-1 空气动力学问题的概述空气动力学问题的概述0-4 飞行器的气动问题飞行器的气动问题0-6 未来飞行器的气动问题未来飞行器的气动问题阿基米德（Archimedes,287-212 B.C.希腊）古希腊伟大的数学家、力学家，公元前古希腊伟大的数学家、力学家，公元前300300年发现浮力定律。年发现浮力定律。阿基米德发现浮力定律之后的一千多年阿基米德发现浮力定律之后的一千多年，流体力学几乎没有任何重大进展。，流体

8、力学几乎没有任何重大进展。空气动力学是由流体力学发展而来的空气动力学是由流体力学发展而来的 概论0-2空气动力学的发展概述16（1 1）牛顿流体；）牛顿流体；（2 2）牛顿黏性定理；）牛顿黏性定理；（3 3）牛顿公式。）牛顿公式。牛顿（Isaac Newton,1642-1727 英国）概论0-2空气动力学的发展概述171818世纪，牛顿运动定理和微积分方法建立；世纪，牛顿运动定理和微积分方法建立；流体力学和空气动力学迈入理性研究和持续发展阶段。流体力学和空气动力学迈入理性研究和持续发展阶段。一批著名数学家建立了一批著名数学家建立了无黏无黏流流体运动的理论流体力学。体运动的理论流体力学。欧拉（

9、L.Euler,1707-1783,瑞士）伯努利（D.Bernouli 17001782，瑞士）概论0-2空气动力学的发展概述18（1 1）欧拉方程；）欧拉方程；（2 2）伯努利方程。）伯努利方程。达朗贝尔（J.dAlembert，17171783，法国）拉格朗日（J-.Lagrange，17361813，意大利)拉普拉斯（P-S.Laplace，17491827，法国）概论0-2空气动力学的发展概述19（1 1）达朗贝尔）达朗贝尔疑题；疑题；（2 2）拉格朗日）拉格朗日体系；体系；（3 3）拉普拉斯）拉普拉斯方程。方程。一批著名数学家建立了一批著名数学家建立了无黏无黏流流体运动的理论流体力学

10、。体运动的理论流体力学。1919世纪末，理论与实验流体力学开始结合，此期间的重世纪末，理论与实验流体力学开始结合，此期间的重大进展还有：大进展还有：雷诺（O.Reynolds，18421912，爱尔兰）发现了两种流动状态。瑞利（J.Rayleigh，18421919，英国）建议采用量纲分析法。概论0-2空气动力学的发展概述201919世纪是流体动力学的基础理论全面发展的阶段，法国工程世纪是流体动力学的基础理论全面发展的阶段，法国工程师纳维（师纳维（L.NavierL.Navier）和爱尔兰数学家斯托克斯（）和爱尔兰数学家斯托克斯（G.StokesG.Stokes）建立建立了了黏性黏性流体（流体

11、（N-SN-S）运动方程）运动方程。（17851836，L.Navier法国）（18191903，G.Stokes英国）概论0-2空气动力学的发展概述21现代意义上的流体力学形成于现代意义上的流体力学形成于2020世纪初，以德国科学家普朗世纪初，以德国科学家普朗特（特（L.PrandtlL.Prandtl，1875187519531953）创立的）创立的边界层理论边界层理论为标志。为标志。普朗特（L.Prandtl，18751953，德国）平板边界层普朗特开创了普朗特开创了边界层理论边界层理论和和有限翼展升力线理论有限翼展升力线理论，被称为近代流体，被称为近代流体力学和空气动力学的奠基人。力学

12、和空气动力学的奠基人。概论0-2空气动力学的发展概述22同一时代的重量级人物还包括卡门、泰勒等众多科学家同一时代的重量级人物还包括卡门、泰勒等众多科学家卡门（V.Karman，18811963，美国）泰勒（G.Taylor，18861975，英国）概论0-2空气动力学的发展概述232419061906年俄国数学家和空气动力学家儒可夫斯基引入了环年俄国数学家和空气动力学家儒可夫斯基引入了环量的概念：量的概念：升力定理升力定理，奠定二维机翼理论的基础。，奠定二维机翼理论的基础。儒可夫斯基（Joukowski，18471921）概论0-2空气动力学的发展概述以周培源、钱学森为代表的中国科学家在湍流理

13、论、以周培源、钱学森为代表的中国科学家在湍流理论、空气空气动力学等许多领域中作出了基础性、开创性的贡献。动力学等许多领域中作出了基础性、开创性的贡献。周培源（19021993）钱学森（19112009）概论0-2空气动力学的发展概述25262020世纪创建了空气动力学完整的科学体系，代表最高人类世纪创建了空气动力学完整的科学体系，代表最高人类科技水平的航空航天事业蓬勃发展科技水平的航空航天事业蓬勃发展19031903年年1212月月2727日，莱特兄弟日，莱特兄弟“飞行者一号飞行者一号”首次试飞成功首次试飞成功人类历史上第一架有动力、载人、持续、稳定、可操纵的人类历史上第一架有动力、载人、持续

14、、稳定、可操纵的飞行器飞行器Wilbur Wright（18671912）Oville Wright（18711948）概论0-2空气动力学的发展概述F-15幻影2000协和A380概论0-2空气动力学的发展概述27概论0-2空气动力学的发展概述2819世纪世纪PoissonPoisson：18261826年解决了空间流动年解决了空间流动绕球的无旋流动问题。绕球的无旋流动问题。LaplaceLaplace：18271827年提出著名的拉普拉斯方程。年提出著名的拉普拉斯方程。RankineRankine：1868186818871887年指出理想不可压流运动的位函数和年指出理想不可压流运动的位函

15、数和流函数，提出流动的叠加原理。和雨果纳建立了激波前后的流函数，提出流动的叠加原理。和雨果纳建立了激波前后的p p、v v和和T T之间的关系。之间的关系。HelmhoiczHelmhoicz：18681868年创立了旋涡运动理论。年创立了旋涡运动理论。NavierNavier和和StokesStokes：1826182618451845年导年导出黏性出黏性流体运动方程。流体运动方程。ReynoldsReynolds：1876187618951895年通过试验发现了流体层流和紊流的年通过试验发现了流体层流和紊流的性质，推导出雷诺平均性质，推导出雷诺平均N-SN-S方程。方程。0-2空气动力学的

16、发展概述空气动力学大事件2920世纪世纪Joukowski：1960年发表了著名的升力公式，提出翼型设计理论。年发表了著名的升力公式，提出翼型设计理论。Wright兄弟：兄弟：1903年年12月制作的飞机试飞成功。月制作的飞机试飞成功。Prandtl：19181919年提出大展弦比机翼升力线理论和附面层理论、年提出大展弦比机翼升力线理论和附面层理论、附面层混合长度理论。附面层混合长度理论。Ackeret：1925年导出翼型的年导出翼型的超声速线超声速线化理论。化理论。Gothert：1939年提出年提出亚声速三亚声速三维机翼的相似法则。维机翼的相似法则。VonKarman和钱学森：和钱学森：1

17、9381944年提出更精确的年提出更精确的亚声速相亚声速相似律公似律公式。求解附面层动量获得可压流平板附面层问题的解。式。求解附面层动量获得可压流平板附面层问题的解。钱学森：钱学森：1946年首先提出高超声速相似律。年首先提出高超声速相似律。1964年计算机的出世，推动了流体力学、空气动力学发展并形成了年计算机的出世，推动了流体力学、空气动力学发展并形成了计算流体力学（计算流体力学（Computational fluid dynamics-CFD)0-2空气动力学的发展概述空气动力学大事件30第0章 绪论31310-2 空气动力学发展概述空气动力学发展概述0-3 空气动力学分类空气动力学分类0

18、-5 空气动力学研究方法空气动力学研究方法0-1 空气动力学问题的概述空气动力学问题的概述0-4 飞行器的气动问题飞行器的气动问题0-6 未来飞行器的气动问题未来飞行器的气动问题图图0-1 0-1 流体力学与空气流体力学与空气/气体动力学的关系图气体动力学的关系图概论0-3空气动力学分类32低速空气动力学，视流体不可压 超声速 空气动力学 M：1.05.0高超声速空气动力学 M：5.0 亚声速空气动力学 M：0.3Mlj跨声速空气动力学 M：Mlj1.0概论0-3空气动力学分类33第0章 绪论34340-2 空气动力学发展概述空气动力学发展概述0-3 空气动力学分类空气动力学分类0-5 空气动

19、力学研究方法空气动力学研究方法0-1 空气动力学问题的概述空气动力学问题的概述0-4 飞行器的气动问题飞行器的气动问题0-6 未来飞行器的气动问题未来飞行器的气动问题飞行器气动问题 飞行器气动设计 （1）外形复杂、流场复杂。（2）气动力方面，大升阻比大，大阻力（3）操纵面效率、铰链力矩及缝隙影响（4）具有推力矢量控制系统。（5）重复使用，要求系统可靠性高。（6）高超声速飞行器热结构问题（热防护）（7）空天飞行的马赫数、黏性、低密度、真实气体效应。概论0-4 飞行器的气动问题35飞行器气动问题 飞行器气动设计 概论0-4 飞行器的气动问题36第0章 绪论37370-2 空气动力学发展概述空气动力

20、学发展概述0-3 空气动力学分类空气动力学分类0-5 空气动力学研究方法空气动力学研究方法0-1 空气动力学问题的概述空气动力学问题的概述0-4 飞行器的气动问题飞行器的气动问题0-6 未来飞行器的气动问题未来飞行器的气动问题概论0-5 空气动力学研究方法38空气动力学的研究方法空气动力学的研究方法实验研究实验研究理论分析理论分析数值计算数值计算风风 洞洞水水 洞洞激波管激波管自由飞实验自由飞实验高速轨道车高速轨道车概念定律概念定律基本假设基本假设抽象模型抽象模型定量分析定量分析规律结果规律结果数学模型数学模型数值方法数值方法计算设备计算设备数值模拟数值模拟获取结果获取结果第0章 绪论39390-2 空气动力学发展概述空气动力学发展概述0-3 空气动力学分类空气动力学分类0-5 空气动力学研究方法空气动力学研究方法0-1 空气动力学问题的概述空气动力学问题的概述0-4 飞行器的气动问题飞行器的气动问题0-6 未来飞行器的气动问题未来飞行器的气动问题40建立科学合理的数学模型；建立科学合理的数学模型；高度重视可靠性设计方法研究；高度重视可靠性设计方法研究；将鲁棒性设计原理应用于飞行器布局和性能设计；将鲁棒性设计原理应用于飞行器布局和性能设计；高超声速吸气式飞行器气动问题。高超声速吸气式飞行器气动问题。概论0-6 未来飞行器的气动问题