《空氣動力學資料》ppt課件

1、流 體 力 學 Fluid Mechanics張震宇南京航空航天大學航空宇航學院第一部分簡介簡介n空氣動力學空氣動力學 (Aerodynamics) n課程類別課程類別 ：必修課：必修課 n面對航空類本科生的專業(yè)根底課程面對航空類本科生的專業(yè)根底課程n42學時學時第一部分課程構造第一部分課程構造n預備知識預備知識n偏微分方程、微積分、矢量分析、場論偏微分方程、微積分、矢量分析、場論n守恒律、熱力學定律守恒律、熱力學定律n根本原理根本原理n空氣動力學、流膂力學空氣動力學、流膂力學n無粘不可壓流動無粘不可壓流動nBernoulli Bernoulli 方程、位流實際、根本解、方程、位流實際、根本解

2、、K-JK-J定理定理n無粘可壓流動無粘可壓流動n熱力學定律、等熵流動、激波實際、高速管流熱力學定律、等熵流動、激波實際、高速管流第二部分課程構造此處從略第二部分課程構造此處從略n低速翼型實際低速翼型實際n幾何特點、幾何特點、K-JK-J后緣條件、薄翼型實際后緣條件、薄翼型實際n低速機翼氣動特性低速機翼氣動特性nB-SB-S定律、升力線面實際定律、升力線面實際n亞音速空氣動力學亞音速空氣動力學n小擾動線化實際、薄翼型機翼氣動特性小擾動線化實際、薄翼型機翼氣動特性n超音速空氣動力學超音速空氣動力學n薄翼型線化實際、跨音速流動、高超音速流動薄翼型線化實際、跨音速流動、高超音速流動n計算流膂力學計算

3、流膂力學CFDCFDn網(wǎng)格生成、控制方程解算網(wǎng)格生成、控制方程解算背景閱讀背景閱讀n徐華舫，徐華舫，北航版，北航版nH. Schlichting, Boundary layer theorynJ.D. Anderson, Introduction to FlightnE.L. Houghton & P.W. Carpenter, Aerodynamics for Engineering StudentsnG.K. Batchelor, An Introduction to Fluid DynamicsnD.J. Tritton, Physical Fluid Dynamicsnmath

4、world.wolfram/第一章第一章 流膂力學的根底知識流膂力學的根底知識n根本義務和研討方法根本義務和研討方法n流膂力學及空氣動力學開展概述流膂力學及空氣動力學開展概述n流體介質(zhì)的物理特性流體介質(zhì)的物理特性n氣動力、力矩及氣動力系數(shù)氣動力、力矩及氣動力系數(shù)n矢量和積分矢量和積分n控制體、流體微團以及物質(zhì)導數(shù)控制體、流體微團以及物質(zhì)導數(shù)研討流體運動的科學研討流體運動的科學研討流體運動的科學研討流體運動的科學研討流體運動的科學研討流體運動的科學Tacoma Narrows Bridge， 1940 研討流體運動的科學研討流體運動的科學流膂力學的根本義務流膂力學的根本義務n研討對象：流體和固體

5、間的相對運動研討對象：流體和固體間的相對運動n探尋流體運動的根本規(guī)律探尋流體運動的根本規(guī)律n研討流體與固體之間的相互作用研討流體與固體之間的相互作用n運用流膂力學規(guī)律處理工程技術問題運用流膂力學規(guī)律處理工程技術問題n預測流膂力學新的開展方向預測流膂力學新的開展方向運用領域運用領域n飛行器、船舶設計飛行器、船舶設計n建筑設計、土木工程建筑設計、土木工程n熱能工程、傳熱學熱能工程、傳熱學n熱化學流膂力學熱化學流膂力學n生物流膂力學生物流膂力學n磁流膂力學磁流膂力學主要研討方法主要研討方法n實驗研討實驗研討n實際分析實際分析n數(shù)值計算數(shù)值計算實驗設備實驗設備風洞風洞 wind tunnel水洞水洞

6、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討方法實驗研討方法n實驗結(jié)果較為真實、直接、可靠實驗結(jié)果較為真實、直接、可靠n限制要素限制要素n模型尺寸限制模型尺寸限制n實驗邊境的影響實驗邊境的影響n丈量過程的干擾丈量過程的干擾n大量的人力和物力耗費大量的人力和物力耗費實際分析方法實際分析方法n流動的模型化流動的模型化問題的籠統(tǒng)表達問題的籠統(tǒng)表達n找出主要要素，忽略次要要素找出主要要素，忽略次要要素n控制方程的建立與解算控制方程的建立與解算n后處置和分析后處置和分析n未計及要素的修正未計及要素的

7、修正n有助于提示問題的內(nèi)在規(guī)律有助于提示問題的內(nèi)在規(guī)律n僅適用于簡單問題僅適用于簡單問題數(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)(FDM)、有限元、有限元(FEM)(FEM)、有限體、有限體積方法積方法(FVM)(FVM)、譜方法、譜方法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精度、穩(wěn)定性、模型合理化精度、穩(wěn)定性、模型合理化流膂力學開展概述流膂力學開展概述-1800Daniel I. Bernoulli (1700-1782)流膂力學開展概述流膂力學開展概述-1800Leonhard Paul

8、Euler (1707-1783)Jean le Rond dAlembert (1717 1783) 流膂力學開展概述流膂力學開展概述1800- Simon-Denis Poisson (1781 1840) Pierre-Simon, marquis de Laplace (1749 - 1827)流膂力學開展概述流膂力學開展概述1800- William John Macquorn Rankine (18201872) Potential/flow functionSingular method/shock relationsHermann Ludwig Ferdinand von He

9、lmholtz(1821 1894) Vortex theory，Hydro-stability流膂力學開展概述流膂力學開展概述1800- Claude-Louis Navier (1785 1836)Sir George Gabriel Stokes, 1st Baronet FRS (18191903)流膂力學開展概述流膂力學開展概述1800- Osborne Reynolds (18421912) Nikolai Y. Zhukovsky (1847 1921)K-J theorem 流膂力學開展概述流膂力學開展概述1800- Martin Wilhelm Kutta(1867-1944

10、) Ludwig Prandtl (1875 1953)流膂力學開展概述流膂力學開展概述1800- Walter Tollmien (1900-1968)cordula-tollmien.de/genealogie.htmlHermann Schlichting (1907-1982)流膂力學開展概述流膂力學開展概述1800- Theodore von Krmn(1881 1963)錢學森(1911- )流體介質(zhì)的物理特性流體介質(zhì)的物理特性n延續(xù)介質(zhì)假設延續(xù)介質(zhì)假設n流體的密度、壓強和溫度流體的密度、壓強和溫度n完全氣體形狀方程完全氣體形狀方程n緊縮性、粘性和傳熱性緊縮性、粘性和傳熱性n流體的

11、模型化流體的模型化延續(xù)介質(zhì)假設延續(xù)介質(zhì)假設n分子平均自在程分子平均自在程n自在分子流自在分子流/非延續(xù)流動非延續(xù)流動n低密度流動低密度流動n延續(xù)流動延續(xù)流動 continnum flow (lL)n延續(xù)介質(zhì)假設延續(xù)介質(zhì)假設流動相關的物理量流動相關的物理量流體的密度流體的密度dvdmdv0limdvdm流體的壓強流體的壓強dAdFdAdFpdA0lim流體的溫度流體的溫度kTKE23KEk流體的速度流體的速度StreamlineABFluid element完全氣體形狀方程完全氣體形狀方程),(TppRTp流體的緊縮性流體的緊縮性VdVdpE/ddpE VdVd流體的粘性流體的粘性nu流體的粘性

12、流體的粘性CTCT15.28815.2885 . 10空氣粘柱實驗模型臥式轉(zhuǎn)盤nvvAA空氣粘性實驗流體的粘性流體的粘性流體的粘性流體的粘性流體的熱傳導特性流體的熱傳導特性nTq 流體流動的不同范疇流體流動的不同范疇nMach數(shù)n亞、跨、超、高超音速n可緊縮性n不可壓、可壓n粘性n無粘、有粘n熱傳導n絕熱流動、等溫流動理想流體模型理想流體模型不可壓流體模型不可壓流體模型00const0tVpx0VcossinsincosANDANLuuuuuuuudspdAdspdN)cossin()sincos(Figure 1.11 in Andersons Fundamentals of Aerodyn

13、amics, 3rd Ed.TELElllTELEuuuTELElllTELEuuudspdspAdspdspN)cossin()cossin()sincos()sincos(Figure 1.12 in Andersons Fundamentals of Aerodynamics, 3rd Ed., 2001TELElTELEulllllluuuuuudMdMMdsypxpdMdsypxpdM)cossin()sincos()cossin()sincos(Hereccyyyxxx,dsdx-dysincosuuuudsdydsdxTELEluTELElluuTELElluuTELEuldxd

14、xdxdypdxdypAdxdxdydxdydxppN)()()()(221VqSqFCFSlqMCMqppCpqCf)()()()(1)()(1)()(10,0,0,0,2,0,0,0,0,cllfllpcuufuupcuufllfclpupLEmcllpuupcuflfacuufllfcuplpndxyCdxdyCdxyCdxdyCxdxdxdyCdxdyCxdxCCccdxdxdyCdxdyCdxCCccdxdxdyCdxdyCdxCCcccossinsincosandanlccccccNMxLEcpFor c/444/LxMLcMcpcLE44/LMcxccp),(trqq),(trVVCBACBAABBA)()(CABACBAABABBAbaBAii)(cosCABACBAABABBA)(sin321321321bbbaaaeeeBACBACBACBACBABACACBCBA)()()()()()()(constrp)(pPNleMpp nemaxledldppnpdsdpsdpdpzpypxpp,),(zprprpp)sin1,(prrprppVVdivzVyVxVzyxzVVrrrVrzr1)(1VrVrrVrrrsin1)sin(sin