流體力學chap1

1、流 體 力 學 Fluid Mechanics南京航空航天大學航空宇航學院 空氣動力學系空氣動力學空氣動力學課程結構課程結構第一部分、流體力學第一部分、流體力學第第1 1章章 流體力學基礎知識流體力學基礎知識第第2 2章章 流體運動基本方程和基本規(guī)律流體運動基本方程和基本規(guī)律第第3 3章章 不可壓無粘流不可壓無粘流第第4 4章章 高速可壓無粘流高速可壓無粘流第第5 5章章 粘流和邊界層流動粘流和邊界層流動空氣動力學空氣動力學課程結構課程結構第二部分、飛行器空氣動力學第二部分、飛行器空氣動力學第第6 6章章 低速翼型的氣動特性低速翼型的氣動特性第第7 7章章 低速機翼的氣動特性低速機翼的氣動特性

2、第第8 8章章 亞聲速翼型和機翼的氣動特性亞聲速翼型和機翼的氣動特性第第9 9章章 超聲速線化理論及跨聲速、高超聲超聲速線化理論及跨聲速、高超聲 速流初步速流初步第第1010章章 計算流體力學初步計算流體力學初步第一章第一章 流體力學基礎知識流體力學基礎知識1.1 1.1 流體力學的基本任務和研究方法流體力學的基本任務和研究方法1.2 1.2 流體力學及空氣動力學的發(fā)展概述流體力學及空氣動力學的發(fā)展概述1.3 1.3 流體介質流體介質1.4 1.4 氣動力和力矩氣動力和力矩1.5 1.5 矢量和積分知識矢量和積分知識1.6 1.6 控制體和流體微團控制體和流體微團1.1 1.1 流體力學的基本

3、任務和研究方法流體力學的基本任務和研究方法n研究對象：流體研究對象：流體n研究內(nèi)容：流體與周圍物體存在相對運研究內(nèi)容：流體與周圍物體存在相對運動時的動時的運動規(guī)律運動規(guī)律和和相互作用力相互作用力n基本任務：基本任務：1. 流體運動規(guī)律、流動現(xiàn)象本質；流體運動規(guī)律、流動現(xiàn)象本質；2. 應用流體力學規(guī)律解決工程技術問題；應用流體力學規(guī)律解決工程技術問題；3. 預測流體力學新的發(fā)展方向。預測流體力學新的發(fā)展方向。航空航天航空航天生物學、仿生學與醫(yī)學生物學、仿生學與醫(yī)學風工程、建筑學、汽車風工程、建筑學、汽車地球物理、大氣動力學、氣象學地球物理、大氣動力學、氣象學1.1 1.1 流體力學的基本任務和研

4、究方法流體力學的基本任務和研究方法研究方法：研究方法：n實驗研究實驗研究n理論分析理論分析n數(shù)值計算數(shù)值計算實驗設備實驗設備風洞風洞 wind tunnel80 x120ft, NASAs Ames Res. Center, 1999水洞水洞 water tank激波管激波管 shock tube實驗測試技術實驗測試技術n機械機械n光、電、聲、熱光、電、聲、熱流動顯示技術流動顯示技術實驗研究方法實驗研究方法n實驗準備工作要求較高實驗準備工作要求較高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可能涉及機械、力學、光學、電子可能涉及機械、力學、光學、電子實驗結果較為真實、直接、可靠實驗

5、結果較為真實、直接、可靠 模型尺寸限制模型尺寸限制 實驗邊界的影響實驗邊界的影響 準備周期長準備周期長 影響因素多，測量過程易受干擾影響因素多，測量過程易受干擾 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流動的模型化流動的模型化問題的抽象表達問題的抽象表達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 未計及因素的修正未計及因素的修正數(shù)值計算方法數(shù)值計算方法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對常規(guī)問題耗費相對較小對常規(guī)問題耗費相對較小n可用于解算復雜流場的流動可用于解算復雜流場的流動n計算者必須對精度、穩(wěn)定性、模型的合計算者必須對精度、穩(wěn)定性、模型的合理性有清楚的認識理性有清楚的認識流體力學發(fā)展概述流體力學發(fā)展概述（-1800）nI. Newton，船舶的阻力, 1726nD. Bernoulli, Hydrodynamica, 1738nL. Euler, 不可壓無粘流動方程組，1755nDAlembert 佯謬, 1744nLagrange, 流體動力學解析方法的提出Daniel I. Bernoulli (1700-1782)Leonhard Paul Euler

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

8、nn Ludwig Ferdinand von Helmholtz(1821 1894) 流體力學發(fā)展概述流體力學發(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) 流體力學發(fā)展概述流體力學發(fā)展概述（1800- ）nPrantdl, n邊界層理論, 1904; 升力線理論,1918-1919n湍流邊界層的混合長模型,1925;nTollmien(1929)-Schlichting(1933),T-S不穩(wěn)定性nVon Karman,錢學森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)錢學森(1911-2009)1.3 流體介質流體介質氣動力分布及其合力取決于物體形狀、氣動力分布及其合力取決于物體形狀、相對運動速度和流體的具體屬性。相對運動速度和流體的具體屬性。n連續(xù)介質假設連續(xù)介質假設n流體的壓強、密度、溫度和速度流體的壓強、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)介質假設連續(xù)介質假設n分子平均自由程分子平均自由程( (標準狀況，空氣標準狀況，

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)流動連續(xù)流動n低密度流動低密度流動n自由分子流自由分子流n連續(xù)介質假設：連續(xù)介質假設：把流體看成連綿不斷、沒有間把流體看成連綿不斷、沒有間隙、充滿整個空間的連續(xù)介質。隙、充滿整個空間的連續(xù)介質。n流場、流體微團流場、流體微團n流體介質的物理屬性是空間的連續(xù)函數(shù)流體介質的物理屬性是空間的連續(xù)函數(shù)流體力學中最常用術語流體力學中最常用術語流體的流體的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空氣粘性實驗)(nfu 流體的粘性流體的粘性nvvAA空氣粘性實驗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氣動力和力矩系數(shù)n壓力中心n氣動力的概念氣動力的概念n翼型、翼型弦線翼型、翼型弦線c、迎角、迎角n翼型的氣動力翼型的氣動力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典型的正交坐標系典型的正交坐標系n標量場和矢量場標量場和矢量場n標量積和矢量積標量積和矢量積n標量場的梯度標量場的梯度n矢量場的散度矢量場的散度n矢量場的旋度矢量場的旋度n線積分線積分n面積分面積分n體積分體積分n線、面、體積分間的關系線、面、體

15、積分間的關系BABABA,cos|eBABABA),sin|(|kzj yi xr kAjAiAAzyx zzrreAeAeAA zzryrxsincoszzxyyxrarctan22eAeAeAArr cossinsincossinrzryrx22222222arccosarccosarccosyxxzyxzrzzyxr標量場和矢量場標量場和矢量場),(),(),(),(),(),(),(),(),(321321321trTtzrTtzyxTTtrtzrtzyxtrptzrptzyxpp),(),(),(tzyxVVtzyxVVtzyxVVkVjViVVzzyyxxzyx標量積和矢量積標量積

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