第一章 大氣物理學(xué)空氣動(dòng)力學(xué)課件

1、空氣動(dòng)力學(xué)教學(xué)安排開課學(xué)期 3 總學(xué)時(shí)數(shù) 36學(xué)時(shí)適用專業(yè) 飛機(jī)維修專業(yè)（ME、AV）首選教材 執(zhí)照教材參考教材 簡(jiǎn)明空氣動(dòng)力學(xué)（內(nèi)部教材）空氣與氣體動(dòng)力學(xué)引論 李鳳蔚 西北工業(yè)大學(xué)出版社課程大綱說(shuō)明本課程與其它課程的聯(lián)系主要后續(xù)課程：l發(fā)動(dòng)機(jī)原理、構(gòu)造與系統(tǒng)；l飛機(jī)結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)課程的性質(zhì)l機(jī)務(wù)專業(yè)一門重要專業(yè)基礎(chǔ)課空氣動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)（ME、AV）第一章 大氣物理學(xué)第二章 空氣動(dòng)力學(xué)第三章 飛行理論第四章 飛機(jī)的穩(wěn)定性和操縱性第一章 大氣物理學(xué)1.1 大氣的重要物理參數(shù)1.2 大氣層的構(gòu)造1.3 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)大氣（ISA）1.4 氣象對(duì)飛行活動(dòng)的影響1.5 大氣狀況對(duì)飛機(jī)機(jī)體腐蝕的影響氣體動(dòng)力學(xué)的研究對(duì)

2、象和研究方法l氣體動(dòng)力學(xué)是研究可壓縮流體，特別是氣體在流動(dòng)過(guò)程中氣體運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律以及氣體與物體之間相互作用的一門科學(xué)。 流體靜力學(xué)流體力學(xué) 可壓縮流體力學(xué) 流體動(dòng)力學(xué) （氣體動(dòng)力學(xué)） 不可壓縮流體力學(xué)空氣流經(jīng)飛機(jī)機(jī)身空氣流過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣道空氣流過(guò)槳葉（螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)）燃?xì)饬鬟^(guò)尾噴管等力的作用 熱量的交換 機(jī)械功的交換燃?xì)鉁u輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)氣輪機(jī)飛機(jī)加速通過(guò)音障質(zhì)量守恒牛頓第二定律熱力學(xué)第一定律熱力學(xué)第二定律研究方法分為：實(shí)驗(yàn)研究、理論研究和數(shù)值研究1.1 大氣的重要物理參數(shù)按體積計(jì)算，氮?dú)?8%，氧氣21%密度溫度壓力粘性壓縮性濕度音速1.1 大氣的重要物理參數(shù)大氣密度l單位體積內(nèi)空氣質(zhì)量，l大氣

3、密度隨高度的增加而減小。Vm1.1 大氣的重要物理參數(shù)大氣溫度l溫度高低表明空氣分子不規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)平均速度的大小。l在11km以下，隨高度的增加氣溫下降，線性變化。攝氏溫度，華氏溫度和絕對(duì)溫度。攝氏溫度/oC華氏溫度/oF絕對(duì)溫度/oK在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，純水的沸點(diǎn)100212373.15在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，純水的冰點(diǎn)032273.151.1 大氣的重要物理參數(shù)15.27395)32(ckFcTTTTTc攝氏溫度Tf華氏溫度Tk絕對(duì)溫度1.1 大氣的重要物理參數(shù)大氣壓力l大氣層內(nèi)空氣的壓強(qiáng)，即單位面積上承受的空氣的垂直作用力。空氣重力空氣分子的熱運(yùn)動(dòng)l度量單位標(biāo)準(zhǔn)大氣壓101325Pal大氣壓隨高度增大

4、而減小。1.1 大氣的重要物理參數(shù)粘性l粘性是流體的固有屬性之一。它與物體在介質(zhì)中的運(yùn)動(dòng)密切相關(guān)。l流體的粘性是指流體微團(tuán)間發(fā)生相對(duì)滑移時(shí)產(chǎn)生切向阻力的性質(zhì)。l大氣的粘性主要由于氣體分子不規(guī)則運(yùn)動(dòng)造成的。粘性 流體是不能承受剪切力的，即使在很小的剪切力作用下，流體會(huì)連續(xù)不斷的變形，但是不同的流體在相同作用的剪切力下變形的速度是不同的，也就是不同的流體抵抗剪切力的能力不同，這種能力成為流體的粘性。1.1 大氣的重要物理參數(shù)粘性力計(jì)算公式：表示橫向速度梯度為1時(shí)，在流層單位接觸面積上產(chǎn)生的粘性力。稱為流體的粘度系數(shù)（動(dòng)力粘度系數(shù)），單位是PaS。SyF)/(1.1 大氣的重要物理參數(shù)不同流體的粘性

5、系數(shù)各不相同，同一流體的粘性系數(shù)也與溫度有關(guān)。l液體的粘性系數(shù)隨溫度的升高而降低l氣體的粘性系數(shù)隨溫度的升高而增大實(shí)際流體都是有粘性的，沒(méi)有粘性的流體稱為理想流體。牛頓內(nèi)摩擦定律至于粘性系數(shù)與溫度的關(guān)系已被大量的實(shí)驗(yàn)所證明。液體的粘性系數(shù)隨溫度的增加而下降氣體的粘性系數(shù)隨溫度而增加。l這種截然相反的結(jié)果可用液體的微觀結(jié)構(gòu)去闡明。l流體間摩擦的原因是分子間的內(nèi)聚力、分子和壁面的附著力及分子不規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)而引起的動(dòng)量交換，使部分機(jī)械能變?yōu)闊崮?。這幾種原因?qū)σ后w與氣體的影響是不同的。l因?yàn)橐后w分子間距增大，內(nèi)聚力顯著下降。而液體分子動(dòng)量交換的增加又不足以補(bǔ)償，故其粘性系數(shù)下降。l對(duì)于氣體則恰恰相反，

6、其分子熱運(yùn)動(dòng)對(duì)粘滯性的影響居主導(dǎo)地位，當(dāng)溫度增加時(shí)，分子熱運(yùn)動(dòng)更為頻繁，故氣體粘性系數(shù)隨溫度而增加。 1.1 大氣的重要物理參數(shù)液體氣體粘度系數(shù)隨溫度變化情況溫度升高，氣體粘度系數(shù)增大。溫度升高，液體粘度系數(shù)減小。1.1 大氣的重要物理參數(shù)可壓縮性l流體在壓強(qiáng)或溫度改變時(shí)，能改變其原來(lái)體積及密度的特性。l流體的可壓縮性用單位壓強(qiáng)所引起的體積變化率表示。即在相同壓力變化量的作用下，密度（或體積）的變化量越大的物質(zhì)，可壓縮性就越大。l空氣的可壓縮性如何體現(xiàn)？在低速飛行時(shí)忽略空氣可壓縮性的影響（Ma0.4）P可壓縮性1.1 大氣的重要物理參數(shù)濕度l大氣的潮濕程度，通常用相對(duì)濕度來(lái)表示。相對(duì)濕度指大氣

7、中所含水蒸汽的量與同溫度下大氣能含有的水蒸汽最大量之比。l溫度越高大氣所能含有的水蒸汽最大量越大。露點(diǎn)溫度：使大氣的相對(duì)濕度達(dá)到100%時(shí)的溫度。l含有水蒸汽的空氣比干空氣密度小。1.1 大氣的重要物理參數(shù)音速l音速是小擾動(dòng)在介質(zhì)中的傳播速度（米/秒）。物體的振動(dòng)在介質(zhì)中引起的小擾動(dòng)會(huì)以介質(zhì)不斷被壓縮、膨脹的形式向四周傳播，形成介質(zhì)疏密交替變化的小擾動(dòng)波。l音速與傳播介質(zhì)的可壓縮性有關(guān)。把音速的大小看成是表示介質(zhì)壓縮性大小的一個(gè)指標(biāo)。l在同一種介質(zhì)中，音速的大小只隨介質(zhì)的溫度而變化，空氣中的音速計(jì)算公式：l為氣體常數(shù)，287J/Kg.K1/2pa20.1,()arRTTT為絕對(duì)溫度1.2 大氣

8、層的構(gòu)造地球大氣層 l對(duì)流層(變溫層) l平流層(同溫層) l中間層 l電離層(熱層) l散逸層 民用運(yùn)輸機(jī)的飛行范圍民用運(yùn)輸機(jī)的飛行范圍對(duì)流層(變溫層)的特點(diǎn)l對(duì)流層的平均高度在地球中緯度地區(qū)約11公里，在赤道約17公里，在兩極約8公里。l在對(duì)流層內(nèi)幾乎包含了全部大氣質(zhì)量的四分之三。大氣中含有大量的水蒸氣及其它微粒，所以云、雨、雪、雹及暴風(fēng)等氣象變化也僅僅產(chǎn)生在對(duì)流層中。l對(duì)流層內(nèi)不僅有空氣的水平流動(dòng)，還有垂直流動(dòng)，形成水平方向和垂直方向的突風(fēng)。l對(duì)流層內(nèi)的空氣溫度、密度和氣壓隨著高度的增加而下降。011km平流層(同溫層)的特點(diǎn)l從對(duì)流層頂起到離地面約50公里之間稱為平流層。該層下半部（大

9、約20km以下）的空氣溫度幾乎不變，在同一緯度處可以近似看作常數(shù)，常年平均值為攝氏零下56.5度，所以又稱為同溫層。l同溫層之上隨著高度的增加，溫度逐步升高，直到頂部溫度升高到00C左右。l在平流層中，空氣只有水平方向的流動(dòng)?？諝庀”?，幾乎沒(méi)有水蒸汽，故沒(méi)有雷雨等現(xiàn)象，故得名為平流層?？諝赓|(zhì)量占整個(gè)大氣的四分之一不到。l大氣能見度好，氣流平穩(wěn)，空氣阻力小，對(duì)飛行有利?，F(xiàn)代噴氣式客機(jī)多在11-12km的平流層底層（巡航）飛行。11km11km20km20km水平風(fēng)水平風(fēng)水平風(fēng)水平風(fēng)零度零度同溫層同溫層中間層、電離層的特點(diǎn)l中間層的特點(diǎn)中間層從離地面50公里到80公里為止?？諝馐窒”?，溫度隨高度

10、增加而下降。空氣在垂直方向有強(qiáng)烈的運(yùn)動(dòng)。 l電離層(熱層)的特點(diǎn)中間層以上到離地面800公里左右就是電離層?？諝馓幱诟叨鹊碾婋x狀態(tài)，帶有很強(qiáng)的導(dǎo)電性，能吸收、反射和折射無(wú)線電波?？諝鉁囟群芨撸㈦S著高度的增加而上升，所以又稱為熱層。空氣密度極小，聲音已無(wú)法傳播。l散逸層大氣層的最外層；地心引力小，大氣分子散逸于太空中。1.3 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)大氣（ISA）l國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)大氣是由國(guó)際民航組織（ICAO）制定的，它是以北半球中緯度地區(qū)大氣物理性質(zhì)的平均值為依據(jù)，加以適當(dāng)?shù)男拚⒌?。l國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)大氣具有以下的規(guī)定：大氣是靜止的、相對(duì)濕度為零的，潔凈的完全氣體，即服從狀態(tài)方程。以海平面作為高度計(jì)算的起點(diǎn)，即H=0

11、，并且在該處l大氣溫度288.15K，或15l大氣壓強(qiáng)1.01325105 帕l大氣密度1.225千克/米3l聲速340.29m/sRTp國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)大氣表H(千米)T T()a(米/秒)p10-4(牛頓/米2)(千克/米3)105(千克/米秒) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9101112131415161718182030456075 15.0 8.5 2.0 -4.5-11.0-17.5-24.0-30.5-37.0-43.5-50.0-56.5-56.5-56.5-56.5-56.5-56.5-56.5-56.5-56.5-56.5-56.5 40.0 70.0-10.0340336

12、33232932532031631230830429929529529529529529529529529529529535537232510.132 8.987 7.948 7.010 6.163 5.400 4.717 4.104 3.558 3.073 2.642 2.261 1.932 1.650 1.409 1.203 1.027 0.785 0.749 0.640 0.546 0.117 0.017 0.0030.00061.2261.1121.0070.9090.8200.7370.6600.5890.5260.4670.4130.3640.3110.2650.2270.1940

13、.1630.1410.1210.1030.0880.0190.0023.910-48.010-51.7801.7491.7171.6841.6521.6191.5861.5521.5171.4821.4471.4181.4181.4181.4181.4181.4181.4181.4181.4181.4181.4181.9122.0471.667國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)大氣的應(yīng)用設(shè)計(jì)飛機(jī)時(shí)應(yīng)該按此標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算飛機(jī)的飛行性能，飛機(jī)試飛結(jié)果也應(yīng)該換算成標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下的結(jié)果，以便分析和比較。飛機(jī)飛行手冊(cè)中列出的飛行性能數(shù)據(jù)是在國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下得出的，要得出實(shí)際大氣情況下飛機(jī)的飛行性能必須根據(jù)實(shí)際大氣情況對(duì)性能數(shù)據(jù)進(jìn)行修

14、正。這種換算的主要工作是要確定實(shí)際大氣和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)大氣的溫度偏差（ISA偏差）。1.4 氣象對(duì)飛行活動(dòng)的影響陣風(fēng)對(duì)飛機(jī)飛行的影響l大氣層中空氣短時(shí)間強(qiáng)烈對(duì)流產(chǎn)生的擾動(dòng)稱為陣風(fēng)。l陣風(fēng)會(huì)隨時(shí)改變飛機(jī)相對(duì)氣流的速度和迎角l水平陣風(fēng)、側(cè)向陣風(fēng)、垂直陣風(fēng)* 水平陣風(fēng)：只改變相對(duì)氣流的速度對(duì)飛行所影響較小。* 垂直陣風(fēng)：既改變相對(duì)氣流的速度又改變飛機(jī)的迎角。垂直陣風(fēng)由下向上吹來(lái)，速度增加，迎角增大，升力增大，瞬間飛機(jī)承受較大載荷，飛機(jī)產(chǎn)生向上曲線運(yùn)動(dòng)，機(jī)頭上仰；陣風(fēng)消失后，飛機(jī)恢復(fù)原飛行姿態(tài)；垂直陣風(fēng)由上向下吹來(lái)，速度減少，迎角減小，升力減小，瞬間飛機(jī)承受較小載荷，甚至向下的載荷，飛機(jī)產(chǎn)生向下曲線運(yùn)動(dòng)，機(jī)

15、頭下俯。顛簸的產(chǎn)生？飛機(jī)迎角的改變對(duì)飛機(jī)升力的影響較大，可能導(dǎo)致:l 1、顛簸l 2、受載過(guò)大：高速飛行（小迎角狀態(tài)）遇到垂直向上突風(fēng)時(shí)應(yīng)使飛機(jī)減速（加大迎角），避免產(chǎn)生過(guò)大的氣動(dòng)載荷。l 3、飛機(jī)失速：低速飛行（大迎角狀態(tài)）遇到垂直向上突風(fēng)時(shí)應(yīng)使飛機(jī)速度提高（減小迎角），避免飛機(jī)大迎角失速。側(cè)向陣風(fēng)：從飛機(jī)側(cè)向吹來(lái)的陣風(fēng)；l引起飛機(jī)搖晃、擺頭等，但對(duì)飛行影響不大。如果飛機(jī)飛行速度很大，垂直陣風(fēng)對(duì)飛機(jī)飛行速度影響引起的升力變化非常小；垂直陣風(fēng)改變飛機(jī)相對(duì)氣流的迎角引起的升力變化很大；飛機(jī)穩(wěn)態(tài)飛行，有利迎角為40C，在垂直陣風(fēng)速度達(dá)到飛機(jī)飛行速度的1/10時(shí)，引起的迎角增量可達(dá)50C，引起的氣動(dòng)

16、升力變化可觀。相同風(fēng)速下，垂直陣風(fēng)對(duì)飛機(jī)飛行造成的影響比水平陣風(fēng)嚴(yán)重。1.4 氣象對(duì)飛行活動(dòng)的影響 穩(wěn)定風(fēng)場(chǎng)的影響：主要影響飛機(jī)的起飛和著陸l1、逆風(fēng)起飛和著陸，以減小起飛和著陸速度及滑跑距離。逆風(fēng)起飛，飛機(jī)起飛滑跑距離較短即可達(dá)到要求的空速，獲取升力，使飛機(jī)離地。逆風(fēng)著陸，使飛機(jī)保持一定的空速，獲得所需要的升力下，以最小的著地速度著陸，并可增加阻力，減少滑跑距離。l2、側(cè)風(fēng)起飛后應(yīng)進(jìn)行航向修正。側(cè)風(fēng)著陸前應(yīng)進(jìn)行側(cè)滑修正側(cè)風(fēng)在飛機(jī)起飛或者著陸時(shí)，在飛機(jī)上產(chǎn)生側(cè)向載荷，帶著飛機(jī)漂移，使飛機(jī)偏離航道，危機(jī)飛行安全。飛機(jī)采用改變航向的辦法進(jìn)行修正。駕駛員操縱副翼和方向舵，組織飛機(jī)漂移，使飛機(jī)航跡對(duì)準(zhǔn)

17、跑道。超過(guò)一定的側(cè)向風(fēng)速，飛機(jī)進(jìn)行側(cè)滑著陸不能保證安全。3、低空風(fēng)切變對(duì)飛行的影響l風(fēng)切變定義：風(fēng)向和風(fēng)速在特定方向上發(fā)生變化飛機(jī)由小順風(fēng)區(qū)到大順風(fēng)區(qū)域逆風(fēng)區(qū)到順風(fēng)區(qū)某一方向的順風(fēng)區(qū)到另一方向的順風(fēng)區(qū)較短距離的升降氣流變化等l對(duì)正在起飛和著陸過(guò)程的飛機(jī)的安全性具有嚴(yán)重影響，尤其是對(duì)正在著陸的的飛機(jī)危害最大。1.4 氣象對(duì)飛行活動(dòng)的影響云對(duì)飛行的影響 1、影響視線。 2、飛機(jī)穿過(guò)積雨云可能受到閃電、冰雹的襲擊或遇到強(qiáng)烈風(fēng)切變。 3、飛機(jī)穿過(guò)零度以下低溫云層時(shí)，在飛機(jī)表面可能結(jié)冰。1.5 大氣狀況對(duì)飛機(jī)機(jī)體腐蝕的影響大氣濕度：l大氣濕度對(duì)金屬在大氣中的腐蝕有著重要的影響。臨界濕度： 在大氣中使金屬的腐蝕速度急劇增大對(duì)應(yīng)的大氣的相對(duì)濕度。不同金屬有不同的臨界相對(duì)濕度。 影響臨界濕度的因素： 機(jī)體構(gòu)件的材料性質(zhì);污染物的性質(zhì)和數(shù)量;金屬表面的粗糙、裂紋狀態(tài)等。大氣的溫度和溫差l溫差影響比溫度影響大。溫差影響水分的凝聚，影響氣膜的氣體和鹽類的溶解度。l一般隨溫度的升高，腐蝕加