南京航空航天大學(xué)-空氣動(dòng)力學(xué)課件第一章

流體力學(xué)

FluidMechanics田書(shū)玲南京航空航天高校航空宇航學(xué)院shulingtian@第一部分什么是流體？有何特征？自然界中物質(zhì)存在形式：固體液體氣體液體和氣體統(tǒng)稱流體固體、液體和氣體放置于密閉容器內(nèi)：固體保持原有體積和形態(tài)；液體保持原有體積，形態(tài)適應(yīng)容器；氣體將充溢容器。流體極易發(fā)生剪切變形，靜止時(shí)不能承受剪切力力學(xué)范疇內(nèi)的幾個(gè)劃分力學(xué)流體力學(xué)流體靜力學(xué)流體動(dòng)力學(xué)液體動(dòng)力學(xué)氣體動(dòng)力學(xué)空氣動(dòng)力學(xué)其它力學(xué)空氣動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)部分

（課程結(jié)構(gòu)）預(yù)備學(xué)問(wèn)偏微分方程、矢量分析場(chǎng)論、在矢量場(chǎng)內(nèi)的微積分守恒律、熱力學(xué)定律流體力學(xué)基本原理和分析方法無(wú)粘不行壓流淌Bernoulli方程、位流理論與基本解、K-J定理無(wú)粘可壓流淌熱力學(xué)定律、等熵流淌、激波理論、高速管流粘性流淌－邊界層理論初步部件空氣動(dòng)力學(xué)

（后續(xù)課程結(jié)構(gòu)）低速翼型理論幾何特點(diǎn)、K-J后緣條件、薄翼型理論低速機(jī)翼氣動(dòng)特性B-S定律、升力線（面）理論亞音速空氣動(dòng)力學(xué)小擾動(dòng)線化理論、薄翼型（機(jī)翼）氣動(dòng)特性超音速空氣動(dòng)力學(xué)薄翼型線化理論、跨音速流淌、超群音速流淌計(jì)算流體力學(xué)（CFD）網(wǎng)格生成、限制方程解算參考文獻(xiàn)徐華舫，《空氣動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)》，北航版H.Schlichting,Boundarylayertheory,7EdJ.D.Anderson,IntroductiontoFlightE.L.Houghton&P.W.Carpenter,AerodynamicsforEngineeringStudentsG.K.Batchelor,AnIntroductiontoFluidDynamicsD.J.Tritton,PhysicalFluidDynamics://mathworld.wolfram/J.D.AndersonFundamentalsofAerodynamics.第一章流體力學(xué)的基礎(chǔ)學(xué)問(wèn)基本任務(wù)和應(yīng)用領(lǐng)域流體力學(xué)的探討方法流體力學(xué)發(fā)展概述流體介質(zhì)的物理特性氣動(dòng)力、力矩及氣動(dòng)力系數(shù)矢量和積分限制體、流體微團(tuán)以及物質(zhì)導(dǎo)數(shù)第一章流體力學(xué)的基礎(chǔ)學(xué)問(wèn)基本任務(wù)和應(yīng)用領(lǐng)域流體力學(xué)的探討方法流體力學(xué)發(fā)展概述流體介質(zhì)的物理特性氣動(dòng)力、力矩及氣動(dòng)力系數(shù)矢量和積分限制體、流體微團(tuán)以及物質(zhì)導(dǎo)數(shù)流體力學(xué)的基本任務(wù)流體力學(xué)是探討流體與四周物體存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和力的作用的科學(xué)探討對(duì)象：與物體相對(duì)運(yùn)動(dòng)流體探尋流體運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律探討流體與固體之間的相互作用應(yīng)用流體力學(xué)規(guī)律解決工程技術(shù)問(wèn)題預(yù)料流體力學(xué)新的發(fā)展方向第一章流體力學(xué)的基礎(chǔ)學(xué)問(wèn)基本任務(wù)和應(yīng)用領(lǐng)域流體力學(xué)的探討方法流體力學(xué)發(fā)展概述流體介質(zhì)的物理特性氣動(dòng)力、力矩及氣動(dòng)力系數(shù)矢量和積分限制體、流體微團(tuán)以及物質(zhì)導(dǎo)數(shù)探討流體運(yùn)動(dòng)的科學(xué)

－－航空航天探討流體運(yùn)動(dòng)的科學(xué)

－－生物學(xué)、仿生學(xué)與醫(yī)學(xué)探討流體運(yùn)動(dòng)的科學(xué)

－－建筑學(xué)、風(fēng)工程ByWcP.Scientific.Mind-Postedon03October2008探討流體運(yùn)動(dòng)的科學(xué)

地球物理、大氣動(dòng)力學(xué)、氣象學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域Thermalfluid;Chemistry;MHD,andetc.第一章流體力學(xué)的基礎(chǔ)學(xué)問(wèn)基本任務(wù)和應(yīng)用領(lǐng)域流體力學(xué)的探討方法流體力學(xué)發(fā)展概述流體介質(zhì)的物理特性氣動(dòng)力、力矩及氣動(dòng)力系數(shù)矢量和積分限制體、流體微團(tuán)以及物質(zhì)導(dǎo)數(shù)主要探討方法試驗(yàn)探討理論分析數(shù)值計(jì)算試驗(yàn)設(shè)備風(fēng)洞windtunnel80x120ft,NASA'sAmesRes.Center,1999水洞watertank激波管shocktube試驗(yàn)測(cè)試技術(shù)機(jī)械光、電、聲、熱流淌顯示技術(shù)試驗(yàn)探討方法試驗(yàn)準(zhǔn)備工作要求較高盡可能解除不必要的影響因素可能涉及機(jī)械、力學(xué)、光學(xué)、電子試驗(yàn)結(jié)果較為真實(shí)、干脆、牢靠模型尺寸限制試驗(yàn)邊界的影響準(zhǔn)備周期長(zhǎng)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理論分析方法流淌的模型化——問(wèn)題的抽象表達(dá)找出主要因素，忽視次要因素限制方程的建立與解算后處理和分析有助于揭示問(wèn)題的內(nèi)在規(guī)律未計(jì)及因素的修正僅適用于簡(jiǎn)潔問(wèn)題數(shù)值計(jì)算方法求解方法多樣化有限差分(FDM)、有限元(FEM)、有限體積方法(FVM)、譜方法對(duì)常規(guī)問(wèn)題耗費(fèi)相對(duì)較小可用于解算困難流場(chǎng)的流淌計(jì)算者必需對(duì)精度、穩(wěn)定性、模型的合理性有清晰的相識(shí)某些流淌難以精確模擬第一章流體力學(xué)的基礎(chǔ)學(xué)問(wèn)基本任務(wù)和應(yīng)用領(lǐng)域流體力學(xué)的探討方法流體力學(xué)發(fā)展概述流體介質(zhì)的物理特性氣動(dòng)力、力矩及氣動(dòng)力系數(shù)矢量和積分限制體、流體微團(tuán)以及物質(zhì)導(dǎo)數(shù)流體力學(xué)發(fā)展概述（-1800）I.Newton，船舶的阻力,1726D.Bernoulli,Hydrodynamica,1738L.Euler,不行壓無(wú)粘流淌方程組，1755D’Alembert疑題,1744Lagrange,流體動(dòng)力學(xué)解析方法的提出DanielI.Bernoulli(1700-1782)LeonhardPaulEuler(1707-1783)JeanleRondd'Alembert(1717

–1783)流體力學(xué)發(fā)展概述（1800-）Siméon-DenisPoisson(1781–1840)Pierre-Simon,marquisdeLaplace(1749-1827)Poisson,解決了繞球的無(wú)旋流淌,1826Laplace,Laplace方程,1827Rankine,奇點(diǎn)法解Laplace方程，位流理論，1868Helmholtz,漩渦運(yùn)動(dòng)理論，流淌穩(wěn)定性William

JohnMacquornRankine(1820–1872)HermannLudwigFerdinandvonHelmholtz(1821–1894)

流體力學(xué)發(fā)展概述（1800-）Navier-Stokes,粘性流體的一般方程,1826,1845O.Reynolds,湍流,1876-1883,Reynolds平均方程,1895Rankine(1870)-Hugoniot(1887)激波關(guān)系式Wright,Flyer-1,1903Kutta-Joukowski(1906)升力公式Claude-LouisNavier(1785–1836)SirGeorgeGabrielStokes1stBaronetFRS(1819–1903)OsborneReynolds(1842–1912)NikolaiY.Zhukovsky(1847–1921)MartinWilhelmKutta(1867-1944)流體力學(xué)發(fā)展概述（1800-）Prantdl,邊界層理論,1904;升力線理論,1918-1919湍流邊界層的混合長(zhǎng)模型,1925;Tollmien(1929)-Schlichting(1933),T-S不穩(wěn)定性VonKarman積分關(guān)系式VonKarman-Tsien公式，1944LudwigPrandtl(1875–1953)WalterTollmien

(1900-1968)HermannSchlichting(1907-1982)TheodorevonKármán(1881–1963)錢(qián)學(xué)森(1911-2009)第一章流體力學(xué)的基礎(chǔ)學(xué)問(wèn)基本任務(wù)和應(yīng)用領(lǐng)域流體力學(xué)的探討方法流體力學(xué)發(fā)展概述流體介質(zhì)的物理特性氣動(dòng)力、力矩及氣動(dòng)力系數(shù)矢量和積分限制體、流體微團(tuán)以及物質(zhì)導(dǎo)數(shù)流體介質(zhì)的物理特性連續(xù)介質(zhì)假設(shè)流體流淌的相關(guān)物理量完全氣體狀態(tài)方程壓縮性、粘性和傳熱性流體的模型化連續(xù)介質(zhì)假設(shè)分子平均自由程λ和物體特征尺寸d自由分子流/非連續(xù)流淌λ和d在同一量級(jí)連續(xù)流淌continnumflowλ<<d低密度流淌連續(xù)介質(zhì)假設(shè)流體介質(zhì)的物理特性連續(xù)介質(zhì)假設(shè)流體流淌的相關(guān)物理量完全氣體狀態(tài)方程壓縮性、粘性和傳熱性流體的模型化流淌相關(guān)的物理量密度Density壓強(qiáng)Pressure溫度Temperature速度Velocity流體的密度流體微團(tuán)在連續(xù)介質(zhì)的前提下流場(chǎng)中任取一點(diǎn)B其密度為dv微團(tuán)體積dm微團(tuán)質(zhì)量流體的壓強(qiáng)氣體分子在碰撞或穿過(guò)取定的表面時(shí)，單位面積上所產(chǎn)生的法向力該點(diǎn)壓強(qiáng)為dA微團(tuán)面積元的大小dFdA一側(cè)的法向力流體的溫度氣體溫度T的熱力學(xué)意義高溫氣體的分子和原子高速隨機(jī)碰撞，而在低溫氣體中，分子隨機(jī)運(yùn)動(dòng)相對(duì)緩慢些EK氣體分子平均動(dòng)能kBoltzmann常數(shù)流體的速度不同于剛體力學(xué)的概念流體在空間中某點(diǎn)B的速度就是流體微元通過(guò)點(diǎn)B時(shí)的速度流體介質(zhì)的物理特性連續(xù)介質(zhì)假設(shè)流體流淌的相關(guān)物理量完全氣體狀態(tài)方程壓縮性、粘性和傳熱性流體的模型化完全氣體狀態(tài)方程一般氣體狀態(tài)方程完全氣體分子間作用力忽視不計(jì)假設(shè)分子間僅存在完全彈性碰撞且只有在碰撞時(shí)才發(fā)生作用微粒的實(shí)有總體積和氣體所占空間相比忽視不計(jì)完全氣體狀態(tài)方程：流體介質(zhì)的物理特性連續(xù)介質(zhì)假設(shè)流體流淌的相關(guān)物理量完全氣體狀態(tài)方程壓縮性、粘性和傳熱性流體的模型化流體的壓縮性壓縮性體積彈性模量確定質(zhì)量的氣體，體積與密度成反比水和低速空氣可看作是不行壓的流體的粘性Viscous1.aviViscous2.avi流體的粘性氣流速度分布規(guī)律是粘性的表現(xiàn)，具有速度梯度的相鄰流層，存在相互牽扯作用，這種作用力稱作粘性力和內(nèi)摩擦力?？諝庹持囼?yàn)?zāi)Ｐ停ㄅP式轉(zhuǎn)盤(pán)）流體的粘性流體分子的不規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)質(zhì)量和動(dòng)量的交換牛頓粘性定律思索：物體受繞流哪些作用力？流體的粘性μ為動(dòng)力粘性系數(shù)，表征流體粘度大小氣體μ隨溫度上升而增大液體μ隨溫度上升而減小適用于空氣的薩瑟蘭公式運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)kinematicviscosity與壓強(qiáng)基本無(wú)關(guān)流體的熱傳導(dǎo)特性Fourier公式單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)單位面積所傳遞的熱量與沿?zé)崃鞣较虻臏囟忍荻瘸烧圈恕獙?dǎo)熱系數(shù)—溫度為問(wèn)題溫度方向梯度（導(dǎo)數(shù)）流體介質(zhì)的物理特性連續(xù)介質(zhì)假設(shè)流體流淌的相關(guān)物理量完全氣體狀態(tài)方程壓縮性、粘性和傳熱性流體的模型化流體的模型化流體具有多方面的物理屬性考慮全部物理屬性，問(wèn)題特殊困難關(guān)注主導(dǎo)物理屬性，忽視次要物理屬性依據(jù)實(shí)際流淌問(wèn)題，簡(jiǎn)化出各種流體模型流體流淌的不同范疇流淌速度（Mach數(shù)）亞、跨、超、超群音速可壓縮性不行壓、可壓粘性無(wú)粘、有粘熱傳導(dǎo)絕熱流淌、等溫流淌絕熱表示流淌不考慮熱傳導(dǎo)或?qū)嵯禂?shù)為零志向流體模型志向流體不考慮粘性，也稱無(wú)粘流體典型適用狀況繞流圖畫(huà)升力問(wèn)題失效范圍及緣由不行壓流體模型密度無(wú)變更、彈性模量極大、低速空氣熱力學(xué)特性可單獨(dú)考慮常見(jiàn)模型流淌可壓粘性流淌可壓志向流體模型（無(wú)粘可壓流淌）不行壓粘性流淌無(wú)粘不行壓流淌（最為簡(jiǎn)潔）絕熱流體模型絕熱流體不考慮熱傳導(dǎo)性，熱傳導(dǎo)系數(shù)為零典型適用狀況低速流淌高速流淌，但溫度梯度較小超群聲速流淌綜合探討粘性流動(dòng)無(wú)粘流動(dòng)可壓流動(dòng)不可壓流動(dòng)非絕熱流動(dòng)絕熱流動(dòng)非定常流動(dòng)定常流動(dòng)第一章流體力學(xué)的基礎(chǔ)學(xué)問(wèn)基本任務(wù)和應(yīng)用領(lǐng)域流體力學(xué)的探討方法流體力學(xué)發(fā)展概述流體介質(zhì)的物理特性氣動(dòng)力、力矩及氣動(dòng)力系數(shù)矢量和積分限制體、流體微團(tuán)以及物質(zhì)導(dǎo)數(shù)作用于航空器上的氣動(dòng)力C-130安－225翼型族翼型族作用于翼型上的氣動(dòng)力px0迎角正壓力摩擦應(yīng)力弦向不同坐標(biāo)系下的氣動(dòng)力體軸系與風(fēng)軸系升力與阻力（風(fēng)軸系）軸向力與法向力（體軸系）體軸系下的氣動(dòng)力問(wèn)題：下翼面dN’與dA’如何表達(dá)？Figure1.11inAnderson’sFundamentalsofAerodynamics,3rdEd.體軸系下的氣動(dòng)力Figure1.12inAnderson’sFundamentalsofAerodynamics,3rdEd.,2001體軸系下的氣動(dòng)力矩Here作用在物面上的氣動(dòng)力與力矩是