1、空气动力学基础 Northwestern Polytechnical University,XIAN 航天学院空气动力学教学组2课程内容安排第二章 流体力学基本原理与方程 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第九章高超声速流动基础知识3课程内容安排第二章 流体力学基本原理与方程 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
2、章绕翼型的可压缩流动第九章高超声速流动基础知识第九章 高超声速流动基础知识49-29-2 高超声速相仿律和马赫无关原理高超声速相仿律和马赫无关原理9-39-3牛顿理论牛顿理论9-19-1高超声速流动特点高超声速流动特点9-49-4高超声速飞行器的气动加热和热防护高超声速飞行器的气动加热和热防护第九章 高超声速流动基础知识59-29-2 高超声速相仿律和马赫无关原理高超声速相仿律和马赫无关原理9-39-3牛顿理论牛顿理论9-19-1高超声速流动特点高超声速流动特点9-49-4高超声速飞行器的气动加热和热防护高超声速飞行器的气动加热和热防护高超声速（Hypersonic）这一名词是钱学森先生提出的
3、。(Ma5)高超声速飞行器具有穿越大气层的发射、上升段，大气层外的轨道飞行段,以及再入大气层的返回段的一类飞行器，如卫星，飞船，航天飞机，空天飞机和弹道式导弹等；在大气层内以高超声速飞行的飞机和导弹。u 高超声速概念6第九章 高超声速流动基础知识9-1高超声速流动特点1 1 流场非线性性质：流场非线性性质：2ddvMav 2dpdvMapv 2(1)dTdvMaTv 1Ma 2 2 薄的激波层薄的激波层：激波与飞行器表面之间的流动区域激波层扰动速度小的变化会引起参数剧烈变化，从而流场参数不再是小扰动线化理论了u 高超声速流动特征7第九章 高超声速流动基础知识9-1高超声速流动特点3 3 钝体弓
4、形激波引起很大熵梯度：钝体弓形激波引起很大熵梯度：弓形激波正激波熵增量飞行器前缘钝体4 4无粘流与边界层之间存在强干扰无粘流与边界层之间存在强干扰附面层内法向压力恒定粘性变大T 附面层内 PRT，边界层变厚8u 高超声速流动特征第九章 高超声速流动基础知识9-1高超声速流动特点3 3 钝体弓形激波引起很大熵梯度：钝体弓形激波引起很大熵梯度：弓形激波正激波熵增量飞行器前缘钝体4 4无粘流与边界层之间存在强干扰无粘流与边界层之间存在强干扰附面层内法向压力恒定粘性变大T 附面层内 PRT，边界层变厚9u 高超声速流动特征第九章 高超声速流动基础知识9-1高超声速流动特点10u 高超声速流动特征240
5、002TKNN，PRTpVcc，220002TKOO，9000TKOOeNNe离解电离5 5 激波层内高温和真实气体效应激波层内高温和真实气体效应强烈压缩导致温度剧增强烈压缩导致温度剧增不成立不成立不为常数不为常数偏离完全气体假设偏离完全气体假设 真实气体效应真实气体效应 气动性能气动性能气动热气动热电磁环境电磁环境第九章 高超声速流动基础知识9-1高超声速流动特点11第九章 高超声速流动基础知识9-1高超声速流动特点u 高超声速流动特征6 6 严重气动加热严重气动加热气体微团动能气体微团动能热能热能传热到壁面传热到壁面气动加热气动加热高空飞行高空飞行密度低密度低自由自由分子分子流区流区速度滑
6、移条件速度滑移条件温度跳跃条件温度跳跃条件附面层内气流受阻滞附面层内气流受阻滞7 7 低密度效应低密度效应第九章 高超声速流动基础知识129-29-2 高超声速相仿律和马赫无关原理高超声速相仿律和马赫无关原理9-39-3牛顿理论牛顿理论9-19-1高超声速流动特点高超声速流动特点9-49-4高超声速飞行器的气动加热和热防护高超声速飞行器的气动加热和热防护马赫无关13第九章 高超声速流动基础知识9-2 高超声速相仿律和马赫无关原理u 高超声速绕流中的激波和膨胀波关系式222111sin1Ma1tantannnvv122121sin11pMap11212pppCv2pa11221ppCMap224
7、1sin1Ma气流经过斜激波后参数变化气流经过斜激波后参数变化马赫无关14第九章 高超声速流动基础知识9-2 高超声速相仿律和马赫无关原理u 高超声速绕流中的激波和膨胀波关系式222111sin1Ma1tantannnvv121241sin1pCMa若1Matansintantan()212411pCMa22121111Ma221102Ma12pC求解舍求解舍去负值去负值214111 41MaMa 1222141121pyCMa 21pyCMa 马赫无关15第九章 高超声速流动基础知识9-2 高超声速相仿律和马赫无关原理u 高超声速绕流中的激波和膨胀波关系式气流经过膨胀波后参数变化气流经过膨胀
8、波后参数变化xv v sinpnnppvvvsinsinxppvv22tan211tan1sin1pppMap若1Ma22102ppMa求解舍求解舍去负值去负值21411141pMa由膨胀波前后压强关系由膨胀波前后压强关系tanxypvvtantanppvv2pv 20ppC2p 212ppppCv22141121ppCMa Ma 16第九章 高超声速流动基础知识9-2 高超声速相仿律和马赫无关原理若1MaMa 214111 41Ma1222141121pyCMa 21pyC20ppCMa 22141121ppCMa Ma u 高超声速绕流中的激波和膨胀波关系式马赫无关17第九章 高超声速流动
9、基础知识9-2 高超声速相仿律和马赫无关原理2pCfMaMa激波膨胀波激波膨胀波01byplpuCCCdxb3xCX Ma高超声速相仿律高超声速相仿律高超声速相仿参数高超声速相仿参数气动系数气动系数201byluCffdxY Mab2zmM Ma两个放射相似翼剖面两个放射相似翼剖面2,pCfMa cccu 高超声速相仿律3,xCXMa ccc2,yCYMa ccc2,zmMMa ccc马赫无关18第九章 高超声速流动基础知识9-2 高超声速相仿律和马赫无关原理u 马赫无关原理引入函数引入函数2ppCHM 221421HMaMaCHMpy2122141121pyCMa 22141121ppCMa
10、 小结：（1）激波、膨胀波后的压强系数 取决于 ，非线性关系；Cp2Ma（2）激波膨胀波后的压强系数与 无关，马赫无关原理。Ma Ma第九章 高超声速流动基础知识199-29-2 高超声速相仿律和马赫无关原理高超声速相仿律和马赫无关原理9-39-3牛顿理论牛顿理论9-19-1高超声速流动特点高超声速流动特点9-49-4高超声速飞行器的气动加热和热防护高超声速飞行器的气动加热和热防护20第九章 高超声速流动基础知识9-3 牛顿理论u牛顿公式这些质点与物面碰撞后相对于物面的法向动量损失转换为对物这些质点与物面碰撞后相对于物面的法向动量损失转换为对物体的作用，切向动量不变。体的作用，切向动量不变。假
11、设：流动介质由一系列均布的、彼此无关的运动质点组成假设：流动介质由一系列均布的、彼此无关的运动质点组成 流体质点不能直接碰撞到表面流体质点不能直接碰撞到表面(称遮蔽面称遮蔽面)的压力为零。的压力为零。16871687年年,牛顿牛顿自然哲学的数学原理自然哲学的数学原理中提出了一种流体动力学理论中提出了一种流体动力学理论21第九章 高超声速流动基础知识9-3 牛顿理论u牛顿公式22sinsinsinv AvvAv Asin22sinFvAsinv法向速度的改变入射到面积为A的板上的质量通量动量改变率牛顿第二运动定律22FvsinA222sinnpvpv流体动量关系式p222sin12pppCv22
12、第九章 高超声速流动基础知识9-3 牛顿理论u牛顿公式222sin2cospC二维物体三维物体sincos来流与物面切线方向夹角vnv22sinpC来流与物面内法线方向夹角1Ma背风面2241sin1pCMa11Ma ，22sinpC0pC 23第九章 高超声速流动基础知识9-3 牛顿理论u修正牛顿公式020202221221ppppCvMap是钝头体在正激波后驻点处的压强系数是钝头体在正激波后驻点处的压强系数02pC02020101pppppp考虑考虑 和和 综合影响综合影响120212122111 22111pCMaMaMa202sinppCC（钝头体）MaMa 1110221122pC1
13、.4021.84pC（1 1）该修正不再马赫无关；）该修正不再马赫无关；（2 2）该修正对钝头体计算比牛顿公式更精确。）该修正对钝头体计算比牛顿公式更精确。2220sinsinsinppCCK（非钝头体）24第九章 高超声速流动基础知识9-3 牛顿理论u绕翼型的空气动力系数表达式（1 1）平板翼型）平板翼型2 2sin;0p lp uCC 23cos2sin=tan2sin p lp uyxyCCq bCCCq b2222141yyyCCMaCMa不可压，亚声速，超声速，其他声速线化理论比较其他声速线化理论比较25第九章 高超声速流动基础知识9-3 牛顿理论u绕翼型的空气动力系数表达式（2 2
14、）等腰三角形翼型）等腰三角形翼型2cCpAC2222sinCccpAB222 222sinCpBC 0CCACCABcACcypACpABcoscos22222Ccacacy22222Ccacacx33322 2cCCpABpBC 0与平板翼型相同与平板翼型相同 26第九章 高超声速流动基础知识9-3 牛顿理论u绕翼型的空气动力系数表达式（3 3）菱形翼型）菱形翼型,c cCcPAB22CcPAD220PBCPCDCCCCADcCABcACyPADPABcoscoscca22Ccccy22211 cCcPAD22CcPDC22CCPABPBC 022211yCccc33311xCccc3331
15、1xCcccCccccy22111|Ccccx33311|2627第九章 高超声速流动基础知识9-3 牛顿理论u绕翼型的空气动力系数表达式27小结：翼剖面气动参数取决于小结：翼剖面气动参数取决于 ，马赫无关，马赫无关c非线性特点非线性特点2yC下表面平直构型升阻比较高下表面平直构型升阻比较高第九章 高超声速流动基础知识289-29-2 高超声速相仿律和马赫无关原理高超声速相仿律和马赫无关原理9-39-3牛顿理论牛顿理论9-19-1高超声速流动特点高超声速流动特点9-49-4高超声速飞行器的气动加热和热防护高超声速飞行器的气动加热和热防护29第九章 高超声速流动基础知识9-4高超声速飞行器的气动
16、加热和热防护u驻点热流计算0.50.60.57Prwawwsduqhhdx 0.60.50.763Pr()()wawwsduqhhdx Fay-RiddellFay-Riddell公式公式球驻点热流量球驻点热流量表示边界层外缘表示边界层外缘0awhhR hh21sppdudxR202uhh1wqR柱体驻点热流量柱体驻点热流量绝热壁焓值绝热壁焓值边界层外缘无黏流总焓值边界层外缘无黏流总焓值wh物面焓值物面焓值AndersonAnderson公式公式80.500.5,31.83 101.0/wNMCRhhNMwqCV头部钝体头部钝体30第九章 高超声速流动基础知识9-4高超声速飞行器的气动加热和热
17、防护u表面热流计算wrwqTT恢复温度恢复温度壁面温度壁面温度热交换系数或传热系数热交换系数或传热系数单位为焦耳单位为焦耳/米米2 2秒秒度度 231P r2fpCc gvSPCtrf1223普朗特数普朗特数摩擦力系数摩擦力系数定压比热容定压比热容重力加速度重力加速度*Revx*0.664fexCR*Prpc附面层内密度附面层内密度边界层外缘的速度边界层外缘的速度*0.5()0.22()wrTTTTTT*pRT*TT参考温度参考温度31第九章 高超声速流动基础知识9-4高超声速飞行器的气动加热和热防护u高超声速飞行器的热防护2 2 选用耐高温的合金材料来制造飞行器的结构部件选用耐高温的合金材料
18、来制造飞行器的结构部件1 1 选择合理气动外形，减小气动加热量选择合理气动外形，减小气动加热量 3 3 加隔热和防热装置来减少传给飞行器的热量加隔热和防热装置来减少传给飞行器的热量4 4 大面积防热与关键部位防热大面积防热与关键部位防热5 5 主动防热与被动防热主动防热与被动防热6 6 热结构一体化设计热结构一体化设计(热密封热密封)32第九章 高超声速流动基础知识9-4高超声速飞行器的气动加热和热防护u高超声速飞行器的布局翼翼/体构型体构型所有前缘都有附体激波，下表面高压不会通过前所有前缘都有附体激波，下表面高压不会通过前缘绕到上表面缘绕到上表面.X-43A.X-43A锥形体锥形体融合外形融合外形组合外形组合外形乘波体乘波体升力体升力体无机翼，三维翼身融合体无机翼，三维翼身融合体,X-33,X-33一体化多学科优化设计（内外流一体化）一体化多学科优化设计（内外流一体化）第九章 高超声速流动基础知识33（1 1）高超音速时绕流特点；）高超音速时绕流特点；（2 2）高超声速相仿律和马赫无关原理；）高超声速相仿律和马赫无关原理；（3 3）牛顿公式。）牛顿公式。
