北京航空航天大學(xué)飛行器空氣動力學(xué)課件-空氣動力學(xué)基礎(chǔ)

空氣動力學(xué)基礎(chǔ)空氣動力學(xué)是研究物體在氣體中運動時所產(chǎn)生的力以及氣體運動規(guī)律的學(xué)科。它涉及從飛機飛行到風(fēng)力渦輪機設(shè)計等諸多領(lǐng)域。課程概述課程目標本課程旨在幫助學(xué)生掌握飛行器空氣動力學(xué)基礎(chǔ)理論知識，為后續(xù)專業(yè)課程學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)。課程內(nèi)容涵蓋流體力學(xué)基礎(chǔ)、氣體力學(xué)基礎(chǔ)、飛行器氣動特性以及相關(guān)實驗和數(shù)值模擬技術(shù)等內(nèi)容。學(xué)習(xí)方法課堂講授、課后習(xí)題、實驗操作和文獻閱讀相結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實際的應(yīng)用能力。緒論空氣動力學(xué)是研究物體在空氣中運動時所產(chǎn)生的力的學(xué)科。它涵蓋了流體力學(xué)原理在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用，包括飛機、導(dǎo)彈、火箭等飛行器的設(shè)計和分析。流體力學(xué)基礎(chǔ)流體性質(zhì)流體是可流動的物質(zhì)，例如空氣和水。流體具有可壓縮性和黏性。壓力壓力是指作用在流體表面上的力，單位面積上的力，是流體靜力學(xué)的重要概念。流體運動流體運動是流體力學(xué)研究的核心內(nèi)容，包括流體的速度、加速度和運動軌跡。流體力學(xué)定律質(zhì)量守恒定律動量定理能量定理理想流體1無黏性理想流體沒有黏性，這意味著流體層之間沒有摩擦力。2不可壓縮理想流體密度保持不變，無論壓力如何變化。3無熱傳導(dǎo)理想流體不傳熱，這意味著流體溫度保持恒定。4流體運動理想流體假設(shè)簡化了對流體運動的分析。黏性流體內(nèi)摩擦力黏性流體具有內(nèi)摩擦力，也稱為黏性力。這種力在流體內(nèi)部不同流層之間發(fā)生。黏度黏度是描述流體抵抗剪切變形的性質(zhì)。黏度越大，流體流動越困難，反之亦然。黏性流體模型牛頓流體和非牛頓流體是兩種常見的黏性流體模型，它們具有不同的黏性特性。質(zhì)量守恒定律質(zhì)量守恒定律是流體力學(xué)中的一個基本定律，它指出在一個封閉系統(tǒng)中，系統(tǒng)的總質(zhì)量保持不變。這表明質(zhì)量既不能被創(chuàng)造也不能被毀滅，它只能從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式。在流體動力學(xué)中，質(zhì)量守恒定律通常表示為連續(xù)性方程。連續(xù)性方程說明了流體在流動過程中，流體密度和流速之間的關(guān)系。它是一個微分方程，它可以用來描述流體的運動和變化。動量定理動量定理牛頓第二運動定律流體動量變化率作用于流體的外力控制體積流體運動動量定理是流體力學(xué)中一個重要的基本定理，它描述了流體動量的變化率與作用于流體的外力之間的關(guān)系。動量定理的應(yīng)用廣泛，例如，用于分析飛機升力、火箭推進力等。能量定理能量定理描述了流體系統(tǒng)中能量守恒原理。該定理指出，流體系統(tǒng)總能量保持不變，能量形式可以相互轉(zhuǎn)換。能量定理可用于分析流體系統(tǒng)中的能量變化，如流體流動過程中的能量損失或增益。伯努利方程伯努利方程是流體力學(xué)中的一個重要方程，描述了理想流體在穩(wěn)定流動狀態(tài)下，流體能量守恒的定律。該方程將流體的壓力、速度和高度聯(lián)系在一起，是分析和計算流體運動的基礎(chǔ)。1/2動能反映流體運動速度的能量ρgh勢能反映流體位置高度的能量P壓力能反映流體壓力的能量無黏性流場分析歐拉方程無黏性流場分析通?；跉W拉方程，該方程描述了流體運動的質(zhì)量、動量和能量守恒。簡化假設(shè)歐拉方程假設(shè)流體不可壓縮、無黏性，并忽略了熱傳導(dǎo)和粘性耗散等效應(yīng)，簡化了流場分析。流線分析通過分析流線和流函數(shù)，可以了解流體運動軌跡和速度分布，并預(yù)測流體運動趨勢。應(yīng)用領(lǐng)域無黏性流場分析廣泛應(yīng)用于航空航天、船舶和機械工程等領(lǐng)域，用于優(yōu)化飛行器氣動外形、設(shè)計水翼和葉片等。層流與湍流層流流體粒子沿平滑路徑流動。流線平行且不交叉。低速流動通常表現(xiàn)為層流。湍流流體粒子呈不規(guī)則、混亂的運動。流線交叉，形成漩渦和亂流。高速流動通常表現(xiàn)為湍流。邊界層粘性效應(yīng)邊界層是指流體在物體表面附近受到粘性影響的區(qū)域。流體運動速度從物體表面開始逐漸增大。層流邊界層邊界層可以分為層流邊界層和湍流邊界層。層流邊界層中流體層流運動，流動穩(wěn)定、平滑。湍流邊界層湍流邊界層中流體以不規(guī)則、混亂的方式流動。湍流邊界層具有更高的摩擦阻力，對飛行器性能影響較大。氣體力學(xué)基礎(chǔ)氣體力學(xué)是空氣動力學(xué)的重要組成部分，研究空氣與物體相互作用產(chǎn)生的力學(xué)現(xiàn)象。氣體力學(xué)側(cè)重于探討空氣作為流體，在運動過程中與物體表面相互作用產(chǎn)生的力學(xué)現(xiàn)象，例如升力、阻力、以及飛行器在不同飛行狀態(tài)下的氣動特性。聲速與超聲速聲速是指聲音在介質(zhì)中傳播的速度，與介質(zhì)的性質(zhì)和溫度有關(guān)。超聲速是指物體運動速度超過聲速，其速度大于1馬赫。超聲速飛行器的運動速度比聲速快，其氣動特性與亞聲速飛行器有很大區(qū)別。氣體動力學(xué)方程控制方程描述連續(xù)性方程質(zhì)量守恒定律動量方程牛頓第二定律能量方程能量守恒定律氣體動力學(xué)方程組是描述氣體流動狀態(tài)的數(shù)學(xué)模型。該方程組由連續(xù)性方程、動量方程和能量方程組成，分別反映了質(zhì)量、動量和能量的守恒。高超聲速流場高馬赫數(shù)高超聲速流場指的是馬赫數(shù)大于5的流場，其特點是流體速度極高，遠遠超過聲音的速度。氣體壓縮由于速度極高，流體壓縮性效應(yīng)變得顯著，導(dǎo)致空氣密度發(fā)生急劇變化，對飛行器的氣動特性產(chǎn)生重大影響。高溫環(huán)境高速飛行會產(chǎn)生劇烈摩擦，導(dǎo)致空氣溫度急劇升高，形成高溫氣體，對飛行器材料和結(jié)構(gòu)帶來嚴峻挑戰(zhàn)。復(fù)雜現(xiàn)象高超聲速流場中存在一系列復(fù)雜的物理現(xiàn)象，例如激波、邊界層分離、化學(xué)反應(yīng)等，需要深入研究和理解。沖擊波定義空氣動力學(xué)中，當(dāng)物體在空氣中以超聲速飛行時，會產(chǎn)生一種劇烈的壓縮波，稱為沖擊波。特性沖擊波是一種非線性現(xiàn)象，具有較強的能量和密度變化，會對物體產(chǎn)生顯著的影響。應(yīng)用沖擊波在航空航天、國防、工業(yè)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，例如超音速飛行器設(shè)計、超聲波加工等。釋放激波激波釋放當(dāng)超聲速物體飛行時，激波會在物體周圍形成。這些激波是由物體移動產(chǎn)生的壓力波引起的。激波的形成當(dāng)物體速度超過聲速時，它會產(chǎn)生一種壓縮波，這種壓縮波被稱為激波。激波的形成會導(dǎo)致空氣溫度和壓力的急劇變化。膨脹波11.膨脹波概念膨脹波是流體在經(jīng)過一個膨脹角時，壓強降低，速度升高的現(xiàn)象。22.膨脹波特點膨脹波通常發(fā)生在物體尖銳的邊緣或角部，例如飛機機翼的尖端。33.膨脹波類型膨脹波分為中心膨脹波和非中心膨脹波，中心膨脹波通常發(fā)生在球形或圓柱形物體周圍。44.膨脹波應(yīng)用膨脹波在航空航天、流體力學(xué)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，例如超音速飛行器的設(shè)計和分析。流量控制流量控制流量控制是飛行器氣動設(shè)計中重要環(huán)節(jié)。通過調(diào)節(jié)飛行器表面形狀或其他控制裝置，改變氣流流量分布，從而實現(xiàn)控制飛行姿態(tài)、速度和軌跡等目標。翼型控制改變機翼表面形狀，例如襟翼、副翼等，可以控制機翼的升力、阻力，并實現(xiàn)轉(zhuǎn)向等操作。噴氣式飛機噴氣式飛機通過調(diào)節(jié)發(fā)動機推力，改變氣流速度和流量，從而控制飛行姿態(tài)和速度。其他控制其他控制方式包括可控襟翼、可控渦流發(fā)生器等，利用氣流控制技術(shù)優(yōu)化飛行器性能。氣體動力學(xué)應(yīng)用氣體動力學(xué)原理廣泛應(yīng)用于航空航天、機械制造、能源動力等領(lǐng)域，其應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴展。氣體動力學(xué)研究成果在推動科技進步和社會發(fā)展中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。飛行器概述飛行器是利用空氣動力原理在空中飛行的裝置。常見的飛行器包括飛機、直升機、飛艇等。飛行器是人類科技的重要成就，對人類社會發(fā)展起著重要作用。飛行器設(shè)計和制造涉及多學(xué)科交叉，包括空氣動力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、材料學(xué)、控制理論等。飛行器是復(fù)雜的系統(tǒng)，需要綜合考慮多個因素才能實現(xiàn)安全、高效飛行。氣動力作用升力升力是指空氣對飛行器的垂直向上力，使飛行器能夠克服重力而升空。阻力阻力是指空氣對飛行器的水平方向上的力，阻礙飛行器前進。側(cè)向力側(cè)向力是指空氣對飛行器的垂直于升力和阻力的力，主要影響飛行器的橫向穩(wěn)定性。力矩力矩是指空氣對飛行器產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)力，影響飛行器的姿態(tài)控制。升力產(chǎn)生機理空氣動力學(xué)原理當(dāng)機翼運動時，由于機翼上表面空氣流速快，下表面空氣流速慢，導(dǎo)致上下表面壓強差，形成壓力差，從而產(chǎn)生向上升力。翼型設(shè)計機翼上表面彎曲，下表面平直，導(dǎo)致上表面空氣流過路徑更長，速度更快，下表面空氣流過路徑更短，速度更慢，產(chǎn)生壓力差。迎角影響機翼迎角增大時，上表面空氣流速加快，壓力差增大，升力增大；迎角過大，則會產(chǎn)生失速現(xiàn)象，升力急劇下降。阻力產(chǎn)生機理11.摩擦阻力由于物體表面與流體之間相對運動產(chǎn)生的摩擦力，與物體表面積和流體黏性有關(guān)。22.形狀阻力由于物體形狀引起的流體繞流阻力，與物體形狀和流體密度有關(guān)。33.誘導(dǎo)阻力由于機翼產(chǎn)生升力而引起的阻力，與機翼展弦比和升力系數(shù)有關(guān)。44.波阻力高速飛行時，由于機身周圍產(chǎn)生壓縮波而引起的阻力，與飛行速度和物體形狀有關(guān)。飛行器氣動特性氣動特性描述升力系數(shù)衡量飛行器升力大小的無量綱系數(shù)阻力系數(shù)衡量飛行器阻力大小的無量綱系數(shù)升阻比反映飛行器升力和阻力之間的關(guān)系俯仰力矩系數(shù)衡量飛行器繞橫軸的力矩大小的無量綱系數(shù)滾轉(zhuǎn)力矩系數(shù)衡量飛行器繞縱軸的力矩大小的無量綱系數(shù)偏航力矩系數(shù)衡量飛行器繞垂軸的力矩大小的無量綱系數(shù)翼型氣動設(shè)計翼型氣動設(shè)計是飛行器設(shè)計中至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，其目標是優(yōu)化翼型形狀，以實現(xiàn)最佳的氣動性能，例如升力和阻力的平衡。設(shè)計過程通常包括多個階段，從初步概念設(shè)計到詳細的優(yōu)化設(shè)計，最終實現(xiàn)符合飛行器性能要求的翼型。1翼型概念設(shè)計根據(jù)飛行器任務(wù)需求，確定基本翼型類型，例如對稱翼型或非對稱翼型。2翼型參數(shù)優(yōu)化通過調(diào)整翼型參數(shù)，例如弦長、厚度、彎度，優(yōu)化翼型的氣動性能。3翼型性能評估采用計算流體力學(xué)軟件或風(fēng)洞實驗方法評估翼型的氣動性能。翼型氣動設(shè)計涉及多種學(xué)科，例如流體力學(xué)、空氣動力學(xué)、材料科學(xué)等，需要運用先進的設(shè)計軟件和實驗方法。實驗研究方法風(fēng)洞實驗風(fēng)洞是模擬飛行器周圍氣流環(huán)境的實驗裝置。通過測量模型表面的壓力、速度和力等參數(shù)，可以獲得飛行器的空氣動力特性。水洞實驗水洞實驗利用水作為介質(zhì)，模擬飛行器在水中的運動狀態(tài)。可以研究飛行器的阻力、升力、穩(wěn)定性等特性，