流體力學(xué)chap1

1、流 體 力 學(xué) Fluid Mechanics南京航空航天大學(xué)航空宇航學(xué)院 空氣動(dòng)力學(xué)系空氣動(dòng)力學(xué)空氣動(dòng)力學(xué)課程結(jié)構(gòu)課程結(jié)構(gòu)第一部分、流體力學(xué)第一部分、流體力學(xué)第第1 1章章 流體力學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)流體力學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)第第2 2章章 流體運(yùn)動(dòng)基本方程和基本規(guī)律流體運(yùn)動(dòng)基本方程和基本規(guī)律第第3 3章章 不可壓無(wú)粘流不可壓無(wú)粘流第第4 4章章 高速可壓無(wú)粘流高速可壓無(wú)粘流第第5 5章章 粘流和邊界層流動(dòng)粘流和邊界層流動(dòng)空氣動(dòng)力學(xué)空氣動(dòng)力學(xué)課程結(jié)構(gòu)課程結(jié)構(gòu)第二部分、飛行器空氣動(dòng)力學(xué)第二部分、飛行器空氣動(dòng)力學(xué)第第6 6章章 低速翼型的氣動(dòng)特性低速翼型的氣動(dòng)特性第第7 7章章 低速機(jī)翼的氣動(dòng)特性低速機(jī)翼的氣動(dòng)特性

2、第第8 8章章 亞聲速翼型和機(jī)翼的氣動(dòng)特性亞聲速翼型和機(jī)翼的氣動(dòng)特性第第9 9章章 超聲速線(xiàn)化理論及跨聲速、高超聲超聲速線(xiàn)化理論及跨聲速、高超聲 速流初步速流初步第第1010章章 計(jì)算流體力學(xué)初步計(jì)算流體力學(xué)初步第一章第一章 流體力學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)流體力學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)1.1 1.1 流體力學(xué)的基本任務(wù)和研究方法流體力學(xué)的基本任務(wù)和研究方法1.2 1.2 流體力學(xué)及空氣動(dòng)力學(xué)的發(fā)展概述流體力學(xué)及空氣動(dòng)力學(xué)的發(fā)展概述1.3 1.3 流體介質(zhì)流體介質(zhì)1.4 1.4 氣動(dòng)力和力矩氣動(dòng)力和力矩1.5 1.5 矢量和積分知識(shí)矢量和積分知識(shí)1.6 1.6 控制體和流體微團(tuán)控制體和流體微團(tuán)1.1 1.1 流體力學(xué)的基本

3、任務(wù)和研究方法流體力學(xué)的基本任務(wù)和研究方法n研究對(duì)象：流體研究對(duì)象：流體n研究?jī)?nèi)容：流體與周?chē)矬w存在相對(duì)運(yùn)研究?jī)?nèi)容：流體與周?chē)矬w存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)的動(dòng)時(shí)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律運(yùn)動(dòng)規(guī)律和和相互作用力相互作用力n基本任務(wù)：基本任務(wù)：1. 流體運(yùn)動(dòng)規(guī)律、流動(dòng)現(xiàn)象本質(zhì)；流體運(yùn)動(dòng)規(guī)律、流動(dòng)現(xiàn)象本質(zhì)；2. 應(yīng)用流體力學(xué)規(guī)律解決工程技術(shù)問(wèn)題；應(yīng)用流體力學(xué)規(guī)律解決工程技術(shù)問(wèn)題；3. 預(yù)測(cè)流體力學(xué)新的發(fā)展方向。預(yù)測(cè)流體力學(xué)新的發(fā)展方向。航空航天航空航天生物學(xué)、仿生學(xué)與醫(yī)學(xué)生物學(xué)、仿生學(xué)與醫(yī)學(xué)風(fēng)工程、建筑學(xué)、汽車(chē)風(fēng)工程、建筑學(xué)、汽車(chē)地球物理、大氣動(dòng)力學(xué)、氣象學(xué)地球物理、大氣動(dòng)力學(xué)、氣象學(xué)1.1 1.1 流體力學(xué)的基本任務(wù)和研

4、究方法流體力學(xué)的基本任務(wù)和研究方法研究方法：研究方法：n實(shí)驗(yàn)研究實(shí)驗(yàn)研究n理論分析理論分析n數(shù)值計(jì)算數(shù)值計(jì)算實(shí)驗(yàn)設(shè)備實(shí)驗(yàn)設(shè)備風(fēng)洞風(fēng)洞 wind tunnel80 x120ft, NASAs Ames Res. Center, 1999水洞水洞 water tank激波管激波管 shock tube實(shí)驗(yàn)測(cè)試技術(shù)實(shí)驗(yàn)測(cè)試技術(shù)n機(jī)械機(jī)械n光、電、聲、熱光、電、聲、熱流動(dòng)顯示技術(shù)流動(dòng)顯示技術(shù)實(shí)驗(yàn)研究方法實(shí)驗(yàn)研究方法n實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備工作要求較高實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備工作要求較高n盡可能排除不必要的影響因素盡可能排除不必要的影響因素n可能涉及機(jī)械、力學(xué)、光學(xué)、電子可能涉及機(jī)械、力學(xué)、光學(xué)、電子實(shí)驗(yàn)結(jié)果較為真實(shí)、直接、可靠實(shí)驗(yàn)

5、結(jié)果較為真實(shí)、直接、可靠 模型尺寸限制模型尺寸限制 實(shí)驗(yàn)邊界的影響實(shí)驗(yàn)邊界的影響 準(zhǔn)備周期長(zhǎng)準(zhǔn)備周期長(zhǎng) 影響因素多，測(cè)量過(guò)程易受干擾影響因素多，測(cè)量過(guò)程易受干擾 大量的人力和物力消耗大量的人力和物力消耗理論分析方法理論分析方法n流動(dòng)的模型化流動(dòng)的模型化問(wèn)題的抽象表達(dá)問(wèn)題的抽象表達(dá)n找出主要因素，忽略次要因素找出主要因素，忽略次要因素n控制方程的建立與解算控制方程的建立與解算n后處理和分析后處理和分析 未計(jì)及因素的修正未計(jì)及因素的修正數(shù)值計(jì)算方法數(shù)值計(jì)算方法n求解方法多樣化求解方法多樣化n有限差分有限差分( (FDM) )、有限元、有限元( (FEM) )、有限體積、有限體積方法方法( (FVM

6、) )n對(duì)常規(guī)問(wèn)題耗費(fèi)相對(duì)較小對(duì)常規(guī)問(wèn)題耗費(fèi)相對(duì)較小n可用于解算復(fù)雜流場(chǎng)的流動(dòng)可用于解算復(fù)雜流場(chǎng)的流動(dòng)n計(jì)算者必須對(duì)精度、穩(wěn)定性、模型的合計(jì)算者必須對(duì)精度、穩(wěn)定性、模型的合理性有清楚的認(rèn)識(shí)理性有清楚的認(rèn)識(shí)流體力學(xué)發(fā)展概述流體力學(xué)發(fā)展概述（-1800）nI. Newton，船舶的阻力, 1726nD. Bernoulli, Hydrodynamica, 1738nL. Euler, 不可壓無(wú)粘流動(dòng)方程組，1755nDAlembert 佯謬, 1744nLagrange, 流體動(dòng)力學(xué)解析方法的提出Daniel I. Bernoulli (1700-1782)Leonhard Paul Euler

7、(1707-1783)Jean le Rond dAlembert (1717 1783) 流體力學(xué)發(fā)展概述流體力學(xué)發(fā)展概述（1800- ）Simon-Denis Poisson (1781 1840) Pierre-Simon, marquis de Laplace (1749 - 1827)nPoisson,解決了繞球的無(wú)旋流動(dòng), 1826nLaplace, Laplace方程, 1827nRankine, 奇點(diǎn)法解Laplace方程，位流理論，1868nHelmholtz,漩渦運(yùn)動(dòng)理論，流動(dòng)穩(wěn)定性William John Macquorn Rankine (18201872) Herma

8、nn Ludwig Ferdinand von Helmholtz(1821 1894) 流體力學(xué)發(fā)展概述流體力學(xué)發(fā)展概述（1800- ）nNavier-Stokes, 粘性流體的一般方程, 1826,1845nO.Reynolds, 湍流,1876-1883, Reynolds平均方程, 1895nRankine(1870)-Hugoniot(1887)激波關(guān)系式nWright, Flyer-1, 1903nKutta-Joukowski(1906)升力公式Claude-Louis Navier (1785 1836)Sir George Gabriel Stokes1st Baronet

9、FRS (18191903)Osborne Reynolds (18421912) Nikolai Y. Zhukovsky (1847 1921)Martin Wilhelm Kutta(1867-1944) 流體力學(xué)發(fā)展概述流體力學(xué)發(fā)展概述（1800- ）nPrantdl, n邊界層理論, 1904; 升力線(xiàn)理論,1918-1919n湍流邊界層的混合長(zhǎng)模型,1925;nTollmien(1929)-Schlichting(1933),T-S不穩(wěn)定性nVon Karman,錢(qián)學(xué)森nH. J. Allen,鈍頭體, 1951Ludwig Prandtl (1875 1953)Walter To

10、llmien (1900-1968)Hermann Schlichting (1907-1982)Theodore von Krmn(1881 1963)錢(qián)學(xué)森(1911-2009)1.3 流體介質(zhì)流體介質(zhì)氣動(dòng)力分布及其合力取決于物體形狀、氣動(dòng)力分布及其合力取決于物體形狀、相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度和流體的具體屬性。相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度和流體的具體屬性。n連續(xù)介質(zhì)假設(shè)連續(xù)介質(zhì)假設(shè)n流體的壓強(qiáng)、密度、溫度和速度流體的壓強(qiáng)、密度、溫度和速度n氣體的狀態(tài)方程氣體的狀態(tài)方程n壓縮性、粘性和傳熱性壓縮性、粘性和傳熱性n流體的模型化流體的模型化連續(xù)介質(zhì)假設(shè)連續(xù)介質(zhì)假設(shè)n分子平均自由程分子平均自由程( (標(biāo)準(zhǔn)狀況，空氣標(biāo)準(zhǔn)狀況，

11、空氣=6=6101088m)m)與物體特征尺寸與物體特征尺寸d d相比：相比：n連續(xù)流動(dòng)連續(xù)流動(dòng)n低密度流動(dòng)低密度流動(dòng)n自由分子流自由分子流n連續(xù)介質(zhì)假設(shè)：連續(xù)介質(zhì)假設(shè)：把流體看成連綿不斷、沒(méi)有間把流體看成連綿不斷、沒(méi)有間隙、充滿(mǎn)整個(gè)空間的連續(xù)介質(zhì)。隙、充滿(mǎn)整個(gè)空間的連續(xù)介質(zhì)。n流場(chǎng)、流體微團(tuán)流場(chǎng)、流體微團(tuán)n流體介質(zhì)的物理屬性是空間的連續(xù)函數(shù)流體介質(zhì)的物理屬性是空間的連續(xù)函數(shù)流體力學(xué)中最常用術(shù)語(yǔ)流體力學(xué)中最常用術(shù)語(yǔ)流體的流體的dA =dF =dAdFpdA0lim流體的流體的dvdmdv0limdv =dm =流體的溫度流體的溫度kTEK23流體的速度流體的速度StreamlineABFlui

12、d elementV氣體的狀態(tài)方程氣體的狀態(tài)方程：),(TppRTp流體的壓縮性流體的壓縮性aVMa VdVdpE/ddpE VdVd流體的粘性流體的粘性nvvAA空氣粘性實(shí)驗(yàn))(nfu 流體的粘性流體的粘性nvvAA空氣粘性實(shí)驗(yàn)流體的粘性流體的粘性CTCT15.28815.2885 . 10nu流體的傳熱性流體的傳熱性nTq Prpc流體的模型化流體的模型化流體的模型化流體的模型化n理想流體模型理想流體模型流體的模型化流體的模型化n升阻力和力矩n氣動(dòng)力和力矩系數(shù)n壓力中心n氣動(dòng)力的概念氣動(dòng)力的概念n翼型、翼型弦線(xiàn)翼型、翼型弦線(xiàn)c、迎角、迎角n翼型的氣動(dòng)力翼型的氣動(dòng)力Vcossinsincos

13、ANDANLTELElllTELEuuuTELElllTELEuuudspdspAdspdspN)cossin()cossin()sincos()sincos(TELEllllluTELEuuuuLEdsypxpdsypxpMcossinsincoscossinsincosnBuckingham Pi),(acvRR0)Re,(2MaCfR)(Re, MaCCRR2cqMccqDccqLcmdl221VqSlqMCSqDCSqLCMDLqCqppCfp)()()()(1)()(1)()(10,0,0,0,2,0,0,0,0,cllfllpcuufuupcuufllfclpupLEmcllpuu

14、pcuflfacuufllfcuplpndxyCdxdyCdxyCdxdyCxdxdxdyCdxdyCxdxCCccdxdxdyCdxdyCdxCCccdxdxdyCdxdyCdxCCcccossinsincosandanlccccccNMxLEcpcpLExNM44/LxMLcMcpcLE44/LMcxccpLMNMxLELEcpn矢量代數(shù)矢量代數(shù)n典型的正交坐標(biāo)系典型的正交坐標(biāo)系n標(biāo)量場(chǎng)和矢量場(chǎng)標(biāo)量場(chǎng)和矢量場(chǎng)n標(biāo)量積和矢量積標(biāo)量積和矢量積n標(biāo)量場(chǎng)的梯度標(biāo)量場(chǎng)的梯度n矢量場(chǎng)的散度矢量場(chǎng)的散度n矢量場(chǎng)的旋度矢量場(chǎng)的旋度n線(xiàn)積分線(xiàn)積分n面積分面積分n體積分體積分n線(xiàn)、面、體積分間的關(guān)系線(xiàn)、面、體

15、積分間的關(guān)系BABABA,cos|eBABABA),sin|(|kzj yi xr kAjAiAAzyx zzrreAeAeAA zzryrxsincoszzxyyxrarctan22eAeAeAArr cossinsincossinrzryrx22222222arccosarccosarccosyxxzyxzrzzyxr標(biāo)量場(chǎng)和矢量場(chǎng)標(biāo)量場(chǎng)和矢量場(chǎng)),(),(),(),(),(),(),(),(),(321321321trTtzrTtzyxTTtrtzrtzyxtrptzrptzyxpp),(),(),(tzyxVVtzyxVVtzyxVVkVjViVVzzyyxxzyx標(biāo)量積和矢量積標(biāo)量積

16、和矢量積n笛卡爾坐標(biāo)系笛卡爾坐標(biāo)系n柱坐標(biāo)系柱坐標(biāo)系n球坐標(biāo)系球坐標(biāo)系z(mì)zyyxxBABABABA zyxzyxBBBAAAkjiBAzzrrBABABABA zrzrzrBBBAAAeeeBA BABABABArr BBBAAAeeeBArrr npdsdppzpypxpp,),(zprprpp)sin1,(prrprppzVyVxVVzyxzVVrrrVrVzr1)(1VrVrrVrrVrsin1)sin(sin1)(122zrVrVVzrzrrrV1zyxVVVzyxkjiVVrrVVrrrrrVrsinsinsin12bal dACl dASSSpdSpdSSSdASdASSSdASdAVdVVdVAnStokesSCSdAl dA)(dVASdAVS)(VSpdVSpd控制體和流體微團(tuán)控制體和流體微團(tuán)n控制體控制體n流體微團(tuán)流體