空氣動力學(xué)CH4

1、2012/3/20玲狗 又。外9ngmtcs目 錄今_ 41熱力學(xué)藹本機金及關(guān)系_ 42 一維等荒流動冊.43馬船波與唐聯(lián)波.44正瑟波 45斜波波.i妞_宣篤8談只ero6ngmics一熱力學(xué)基本概念熱力系統(tǒng)：熱力學(xué)中人為分隔出來的研究對象.系統(tǒng)與外界之間能進行能量交換的根本原因，在于兩者之間的 熱力狀態(tài)的差異.熱力狀態(tài)：指熱力系統(tǒng)在基瞬間表現(xiàn)出的工質(zhì)熱力性質(zhì)的總狀 況，反映工質(zhì)大量分子熱運動的平均特性.狀念參數(shù)：從各個不同方面描述工質(zhì)狀態(tài)特性的各種物理量.溫度t.壓強p.密度p (或比容v):容易測量也比較直 觀，稱為基本狀態(tài)叁數(shù).3 m 1, ，、45只 cr響namics比熱內(nèi)能e.，

2、單位物量的物質(zhì)，溫度升高或降低1k所吸收或放出的熱量.用c表示.周量比熱kj/(kg k)不僅取決于物質(zhì)性質(zhì)，還與氣體熱力過程和所處狀態(tài)有關(guān).定容比熱:卻定壓比型:一熱力系抗處于宏觀酵止狀時,縈院內(nèi)所有微觀粒子所具有的 犍之和.它取決于縈猊本身的狀態(tài)，與泵統(tǒng)內(nèi)工質(zhì)的分子結(jié)施及 函見運動形式有關(guān).包括內(nèi)動靛、內(nèi)位靛及維持一定分子結(jié)為的化學(xué)能和原子核內(nèi)部 的庾子能.浸化學(xué)反應(yīng).核反應(yīng)時: 內(nèi)能=內(nèi)動能內(nèi)位色完全氣體e = f(t) = cj只 grwfmamics定義：a=e + p開口系統(tǒng)一有物質(zhì)流進.流出的處力系坑. 它與外界之商建物質(zhì)流傳遞的皖量包括靖：表示隨出動工質(zhì)傳遞的電靛雖中,取決于工

3、質(zhì)微猊熱力狀態(tài)可逆過程：當系統(tǒng)進行正、反兩個過程后，系統(tǒng)與外界均能完 全回復(fù)至物始狀態(tài).可逆條件：1)傳熱無溫若.作膨脹功無壓力差：2)過程沒有耗散效應(yīng)，如機械運動沒有摩擦。炳，定義為：ds =卑心 kj/kg kattention :病也是一個狀態(tài)參數(shù)！5* *女 a 乂，io的那部分.完全氣體：/i=c,r+/?r = cr8)5) 只er。6ngmics山但2 0卞.ql靖城大的原因？對于高速氣體流動，過程不可逆的因素有: 粘性摩擦、我的出現(xiàn)、溫度現(xiàn)度導(dǎo)致的!叫與導(dǎo).但對于沅場大部分區(qū)域，速度桶度、溫度精度都不大.可以忽略 粘性摩擦和溫差傳熱，在沒有激波出現(xiàn)的區(qū)域，可以認為是可逆絕熱殛i

4、:boeing747飛機在 10km高空飛行，vlwmbsp 1.92 x 104pa 求：該點的溫度l解:10km高空大氣鮮為:p80.265xl()5pa r tao-223.3k 根據(jù)等蜴過程方程:aerodynamws x3e程|乎才常致月 gronamics月 go 今rsffnrs2一微走管絕熱洗參效同妁蠹本關(guān)系支對于t可壓定常絕熱浪，利用上述方程組可以求出各無動鑒數(shù)q2 :為什么71.使用駐點當數(shù)的關(guān)系式沿流線（或沿管地線）的變化，但需要給定專爐上的叁數(shù)值常用 參考點為駐點或臨界點.0駐點：速度為。的點，動能為o ,恰達到最大，稱為總給、駐點 恬或滯止焙.溫度星高，稱為駐點溫度或

5、滯止溫度,壓強達到最大， 稱為總壓.注點和匚工12 r-i y-i前酶溫之比：由于在鬲速氣流中直接測星靜溫相當國唯，而總溫容舄測里， 故通常遢過測量to和ma來計籟當?shù)仂o溫t.上式從絕熱過程縫里方程出發(fā)得氨1,可逆和不可能過程都適用.16jlmufynamics在一堆等憐澹動（絕熱無版 可逆）中，總溫保持不變，總壓沿著 淙線不變，并由狀態(tài)方程得，駐點密度也不變：2.使用臨界叁考量的叁數(shù)關(guān)系式立,（1+?叱尸可見，溫度.壓避、密度總靜叁數(shù)比都與mms有關(guān)，為使用方 使,格空氣一維等淄流動各叁數(shù)與駐點叁數(shù)之比與馬x數(shù)的關(guān)系列成 表格，便于應(yīng)用見教材附錄表a.6.attention :在ma0.32

6、時，po/pl.o5 ,即整個過程宙度的相 對變化小于5% ,可以忽略密度的變化，看成是不可壓流體.(71 4)在一維絕熱中,沿流線某點的淙速恰好等于當?shù)氐挠贂r（ma=l）,稱該點為ifi界點或iffi界藏面，談處的參數(shù)禰為llffi界叁數(shù)182012/3/20根據(jù)根據(jù):四鰥能渝只er。肉namics= 0 8337 + 1有。說明紙界吉速也可以代表一堆絕熱濟動的總能呈彘助程初三三身需與在氣濟叁數(shù)的計算中,因為沿淙線各處溫度不同，吉速不同,按 mhbt計菖流速或按流速計算ma數(shù),都要先計電聲逵.有時并不方 便.一堆絕熱流動中，16界聲速代表總能量，是一個定值.所以， 可以將被界聲速印（非當?shù)?/p>

7、再建）取為叁考速度.）與、門的關(guān)系:速度只與與z成正比.20/19用一維等靖流動修、總弁散之比與速度系數(shù)之間的關(guān)系為.，山）4 r+i，（1一口 下聲.cl）pu ，+ 1q-七|i尸,，a ，+1&,敏，ru）隨a的文化, 間的關(guān)系列表蛤出，便于應(yīng)用.一些教材或手冊也將它們之將，aj=-（/-ix； 1m） poi說舊埔變與總壓變化有關(guān)絕熱可逆過程：總壓不變嫡不變.bp等端過程；e空不可逆過程：總壓減小，嫡煙大超聲速冷場和亞吉速流場有許多牌的差別,其中一個很重要的方 面就是小挑動的傳播范圍，或者說i尤動的影響區(qū)不同.只 er響namicss.埴變與總壓之間的關(guān)系ax j.-j =r lnzl

8、-/flnix, in工一（7-1上 in 工 生 工a=（r-ix.總錚壓比：f修i安修廠應(yīng)只odynamms43馬赫波與膨脹波 發(fā)擾動妁伶砂區(qū)一烏修整jlgeffruurtia*-zlx。，mal .亞吉速淙動，前i秒的球面波眼來津方向移動.但因疣動傳搔速度高于淙體澹速,擾動仍可影響全流場（擾海的上游和下游）.氣流沒到擾源之前就 is覺到擾動了，氣:怎逐漸 改變端向和多數(shù)以適應(yīng)挑 涯的要求。的jlero（fynamics0馬卷波越支通氣流遇到有小i尤動時氣流方向要改孌,淙動當數(shù)也有 微小變化,在馬m線的法線方向叁數(shù)發(fā)生變化.m ：超吉速氣溫經(jīng)過aob面，在o點有有小折角.速度方向偏轉(zhuǎn). 經(jīng)

9、過馬赫線叁數(shù)如何變化?彬馬靜線前后的速度分 為切向t和法向n的速度 切向速度不變：vr = vcos /vr,=(v + dv) cos(p -d6)$彳攵彳乂學(xué)28vcos / = (v + dv) cos(/ + d 6)展開,怒二冊小員:表示超吉速氣溢通過馬li波，氣流速度變化小與方向16轉(zhuǎn)布 之間的回分關(guān)系式.因為忽略了耘住,氣原俱轉(zhuǎn)角又為小星,可以 看做等境流動.其它量的兗化關(guān)系如下：dpmaz)ma2vmt-tde國篤勘又。右”疥匕s結(jié)論：1 .超聲速氣相一”鄲j正偏轉(zhuǎn)角de,速度增大； ：氣流外折，流通斷面擴大）壓強減小;密度減小： 盤度旗低.2 .運聲透氣淙經(jīng)一“你j負偏轉(zhuǎn)角d

10、e,速庾減?。?（氣淙內(nèi)折，出逼斷面縮小）壓片增大：密度增大；氣體發(fā)生能假 能服馬赫波卜氣體發(fā)生壓ib ,壓縮馬稀波馬靜波后，壓層系數(shù)為：一工超離速氣流經(jīng)一有用偏錯角9,也會發(fā)生膨脹或壓縮，但流動 當數(shù)號偏轉(zhuǎn)角之間的關(guān)系需要進一步專1瓶定.30宓qg談 只 grwfynamics庭期j）s） 只ognamics由于按公式計算md?要用送代求解方法，直按計算不右便, 氣動手冊中常根據(jù)以上公式列出空氣（7=1.4 ）超聲速能脹加速數(shù) 值差,方便工程應(yīng)用能賬波的相關(guān)特性及計苴為噴管等的設(shè)計 提哄了理論基礎(chǔ).能脹波后參數(shù)計算步：1）根據(jù)m5m e,按上式計算出加速后的馬桶數(shù)ma2 ；2）根據(jù)杳附錄裳瓦

11、6 ,獲得t/t冰p2mo. p恒；3），t”=t0, pwp外 p?ofi。；4）最后求得氣流儡轉(zhuǎn)8角后，修版后的靜叁數(shù)k. p】等.又 er響namics , ma, j；.】澈漉前后總溫不變 %=如 激波前后濫便的關(guān)系： 1+3至二上二jw7w（2lm心3）二 r 工 q 7；（7+i）m. 7+1 r+r激波轉(zhuǎn)征1）激波的強度很大激波面掃過，壓強由同突躍為p2 ；2）激波是一個極其薄的區(qū)域，厚度很小.大約相當于分子平均目 由程的大小,標準狀態(tài)下,空氣分子的平均自由程妁為10 4 mm.3）氣流經(jīng)過激波發(fā)生激烈的壓縮，壓縮過程很迅速，所以可以看 作是絕熱壓縮過程，但壓熱過程出現(xiàn)修海的摩麒

12、和能雖損失，奉 數(shù)的變化不再是等埴過程,前面的等墟過程叁數(shù)之間的關(guān)系不再 適用于激波前、后叁數(shù)孌化的計宜了.4）激波理論就是解決激波前、后叁數(shù)變化的計算問還。談 只 ero幽namics激波前后叁數(shù)變化結(jié)論：波前馬赫數(shù)起大，1）激波層度r越大；：）波后號念速度越低；3）靜壓口凡比超大；4 ）溫度比t/ti超大；5）密度wi超大，但最終趨于一定值；6 ）總壓比pp】o超小，但最終趨于一定值；6）嫡增越大；7）波用越大.為方便應(yīng)用，激波前后叁數(shù)變化畸來澹馬穌數(shù)的變化列表蛤 出，見附錄表九九減小波阻是研究超去速流動問踵的主要任務(wù).在可奏發(fā)生正 激波的位置，盡量減小波前馬秫數(shù)，可以減小波阻方彳女4大，

13、43（?）絲會f黃以方程消去其中的4 ,得到波前、波后 壓強比和宙度比的關(guān)系，稱為激波 突躍絕熱（計能呈吒散）關(guān)系式.或蘭金許貢妞關(guān)系式.p: . /-ip=幾1a 3 生+1一 00. a與等靖（絕熱無能量聯(lián)）過程 的壓強、擊度關(guān)莖式完全不同.尹洋6 4）jlerotfynamics46蘭金一在領(lǐng)關(guān)系式完全氣體狀態(tài)方程 得到遨波前后溫度變化與壓層變化的關(guān)系tjtxffl7 3 克躍壯熱及等關(guān)系一線14在壓強比蛟451,二看幾乎一致，說明計氤弱激波參數(shù)變化 也可以近，以校等娼過程處理.i 246 8 10204060 80 100相同外p.下，說明激液技后 溫度比等 m 編皮波后溫度升高 更多

14、。因為激波層的摩擦耗散熱 迸一步加熱了氣體.國aoynamics澈波前后總壓的變化:心-以呵柒3，b卜三，）?黑:j+l）y 產(chǎn)（y-1）叫+ 2激滯后靜壓魂突躍地大，但總壓減小總壓的減 小值稱為激波阻力,荷林逋用.波阻將有用的動 52轉(zhuǎn)變?yōu)闊o用的庠隙熱.波距隨波麗馬赫數(shù)的暗大而熠大.；ie ：膨脹波使氣淙加速是逐漸胃成的,不計能 雖挑散,總壓保持不變.pq j.r-il可見，單荻得總壓、靜壓還不能得到速度，需要同時獲得當?shù)?氣流室速。超聲速可壓擊畢托管測速：畢托省正前產(chǎn)生一道弓形 激波，中間相當于正激波. 畢托管測出的總壓是激波 后的總壓p”，小于波前總 壓p.8為 p： thpmpl稱為雷

15、利華托管公式可以迭代求出。一較* f在手冊中列表（見附錄袤a.5 ） 給出它們的對應(yīng)關(guān)系.獲得ma后，與當?shù)芈曀僖坏揽梢栽兌ǔ鰵饬魉俣?結(jié)論：1）正激波的關(guān)系式可以用于斜激波的波前,波后參數(shù)的計算.2）計宜時注均替換：在正海波的所有公式中，將，加換為，“，格，.瞽換為，匕,格“町替換為”叫將v，：替換為.vfditf = mat cmfi mu” = maz - cm（2-j）-a1t :我中彳丈*583） 6=0,對應(yīng)： b=o的是馬赫波， 890僚|是正波.4）給定m%,都存在 一個最大氣i念折角6 mm5 ）不同mih下的是大 氣淙折角連成虛線， 查線以下的區(qū)域為弱 激波.后面的討論限

16、于弱激波.斜漱波前后濫便關(guān)系：2=2 + （7-1）的卻,夕（上也：他3）7汕夕 /41, + 糾微波前后總壓比b=jl+%）向 空空三江產(chǎn)s *1j l（/-lmj:mp+2以上關(guān)系式系明二氣流羥過斜激波的液數(shù)變化除虧波前 馬幡數(shù)有關(guān)外，還與激波斜角。有關(guān)，而激波斜角又取決于波 前馬球脫14】以及氣流折角6 畫只ewifynamics （澈波田或1）由圖可見，對于給 定m%和6的侑況. s 有兩個不同的許2） p大者，稱為強激波； b小者，稱為弱激波. 根據(jù)實蛤觀察，方向決二 定（壁面內(nèi)折,楔形物。 體繞法）的斜蹙波，永 遠是只出現(xiàn)弱匿波,不 出現(xiàn)強波.弱激波后一 般還是超高速目月分崎mww

17、ic結(jié)論:1. 6不變，陌、1對增大，1） b減小，但m肛11fs大；2）波后馬赫數(shù)m%增大；3 ）靜國“i比超大；4 ）的比壓p jpio出、；s）激波強度增大、波阻增大, 為減小速陽,在可能發(fā)生激波的位置盡是減小波前馬赫數(shù).2. m丐不變,隨6熠大. 1） 0熠大, m#l .大；2）波后馬靜數(shù)m%增大；3）總壓人%比越大；4）總比母血,也j、；5 ）激波強底起大、波阻越大.為減小波阻超聲速典型尖頭的身根角不靛大0為又。辦na皿s4.6 噴管(oblique shock wave )68施只 erodynamtcs亞芮速氣洸要持綾增速到超言速狀態(tài)，會經(jīng)過一先先管道，中間截面最小,這種管道稱為拉瓦爾*.后獷張的嗔管是中氣飛機.火箭發(fā)動機中的一個垂要的部牛.1ft管設(shè)計在至 氣由力學(xué)手冊中有專門簫幅介蛤.拉瓦爾喟曾嗔管出口壓通剛好等于環(huán) 境壓岸（背壓），殖苜工 作處于設(shè)計狀態(tài)；噴管出口壓昌大于環(huán)境壓 3,哦修出口發(fā)生能率波. 壓力疑為壞填壓0;喳管出口壓總小于環(huán)境壓 s,噴管出口產(chǎn)生滋波.壓姿升尋到環(huán)境壓魂.70只 er響namics本章弘本要求掌捏聲遑、馬公強、馬t波、琳波、激波的最念；拿握履工、物鼻點的今x.等泣動息的+做比曲馬做的文化 m聲速i規(guī)中.什么酎候產(chǎn)生,波7什么時候產(chǎn)生袁波7廊徐波、雙后余歙的貴化鰻卷