氣體動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)

1、氣體動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)第1頁(yè)，共36頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)53分，星期四引言氣體動(dòng)力學(xué)發(fā)展的四大階段第2頁(yè)，共36頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)53分，星期四第一階段（氣體動(dòng)力學(xué)的基礎(chǔ)階段）工程應(yīng)用背景 ：蒸汽機(jī)和爆炸技術(shù) 1870年郎金雨貢紐導(dǎo)出了激波關(guān)系 1882年瑞典工程師發(fā)明了拉伐爾噴管 1887年馬赫導(dǎo)出了馬赫角關(guān)系 ，之后斯托道拉、普朗特和邁耶先后實(shí)驗(yàn)研究了拉伐爾噴管的流動(dòng)特性。第3頁(yè)，共36頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)53分，星期四第二階段（可壓縮流體動(dòng)力學(xué)的發(fā)展階段）1908年普朗特和邁耶提出了激波和膨脹波理論 1910年瑞利和泰勒研究得出了激波的不可逆性； 19

2、33年泰勒和馬科爾提出了圓錐激波的數(shù)值解 第4頁(yè)，共36頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)53分，星期四第三階段：氣體熱力學(xué)的發(fā)展階段（20世紀(jì)30年代中50年代末） 1935年召開(kāi)討論了關(guān)于“航空中的高速流動(dòng)問(wèn)題”的學(xué)術(shù)大會(huì)，表明了流體力學(xué)先驅(qū)者對(duì)高速問(wèn)題的關(guān)注和重視。之后，由于以噴氣飛機(jī)、渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)、火箭發(fā)動(dòng)機(jī)等為背景的工程問(wèn)題發(fā)展的需求，將空氣動(dòng)力學(xué)與熱力學(xué)相結(jié)合，這個(gè)時(shí)期為氣體熱力學(xué)的發(fā)展階段，其特點(diǎn)是在完全氣體假設(shè)下的氣體動(dòng)力學(xué)理論和實(shí)驗(yàn)逐漸成熟。 第5頁(yè)，共36頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)53分，星期四第四階段：氣體熱化學(xué)和CFD的發(fā)展階段（20世紀(jì)50年代末至今） 為了

3、解決航天飛行器、高速飛行器的氣動(dòng)力和氣動(dòng)熱問(wèn)題，解決高溫流動(dòng)問(wèn)題，必須將化學(xué)熱力學(xué)、空氣動(dòng)力學(xué)、化學(xué)動(dòng)力學(xué)及統(tǒng)計(jì)物理學(xué)等相結(jié)合。其研究背景為空間技術(shù)和戰(zhàn)略武器。目前高超聲速飛行器的研究仍然是世界各國(guó)研究的熱點(diǎn)計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)的發(fā)展以驚人的速度取得了舉世矚目的成就。因而可以借助計(jì)算機(jī)解決歷史上遺留下來(lái)的一些難題，從而進(jìn)一步解決與目前發(fā)展相適應(yīng)的一系列復(fù)雜問(wèn)題第6頁(yè)，共36頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)53分，星期四最早推導(dǎo)出激波的科學(xué)家朗 金第7頁(yè)，共36頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)53分，星期四流體運(yùn)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)和速度勢(shì)概念的起源 斯托克斯與亥姆霍茲第8頁(yè)，共36頁(yè)，2022年，5月20日

4、，23點(diǎn)53分，星期四氣體動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)的內(nèi)容簡(jiǎn)介1.流體的基本屬性及熱力學(xué)特性 2.流體所遵循的運(yùn)動(dòng)規(guī)律3.流體與流體，流體與物體之間的相互作用（作用力）第9頁(yè)，共36頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)53分，星期四本課程的特點(diǎn)理論性強(qiáng)概念多內(nèi)容多公式多第10頁(yè)，共36頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)53分，星期四教學(xué)要求及考核方式作業(yè) 10分 期末考試 80分平時(shí)成績(jī)：10分（課堂主動(dòng)發(fā)言者，酌情加分，累計(jì)最高10分）第11頁(yè)，共36頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)53分，星期四氣體動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)參考書(shū) 流體力學(xué)美W.F.修斯J.A. 布賴頓著 氣體動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ) 潘錦珊主編 熱力學(xué)與氣體動(dòng)力學(xué)基

5、礎(chǔ) 王新月 主編 流體力學(xué)基礎(chǔ) 邢宗文 主編 MODERN COMPRESSIBLE FLOW John D. Anderson ,Jr.第12頁(yè)，共36頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)53分，星期四幾種構(gòu)形的發(fā)動(dòng)機(jī)及其工作原理渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)：進(jìn)氣道壓氣機(jī)燃燒室渦輪尾噴管各部件的作用：第13頁(yè)，共36頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)53分，星期四渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)一路通過(guò)內(nèi)涵道的壓氣機(jī)燃燒室渦輪尾噴管另一路通過(guò)外涵風(fēng)扇外涵尾噴管脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī):應(yīng)用于火箭、應(yīng)用于飛機(jī)第14頁(yè)，共36頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)53分，星期四沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)：進(jìn)氣道，燃燒室尾噴管第15頁(yè)，共36頁(yè)，2022年，5

6、月20日，23點(diǎn)53分，星期四兩種發(fā)動(dòng)機(jī)的比較第16頁(yè)，共36頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)53分，星期四強(qiáng)大的工具CFD數(shù)值模擬管內(nèi)流動(dòng)非定常虛擬演示馬赫數(shù)壓強(qiáng)第17頁(yè)，共36頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)53分，星期四第一章流體的基本屬性 1.1 流體的基本屬性 1.2 流體的壓縮性與膨脹性 1.3 流體的粘性 1.4 高溫氣體的屬性 1.5 流體的導(dǎo)熱性第18頁(yè)，共36頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)53分，星期四1.1 流體的基本屬性第19頁(yè)，共36頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)53分，星期四連續(xù)介質(zhì)模型定義:把氣體看作是連綿不斷地充滿整個(gè)空間的、不留任何空隙的連續(xù)介質(zhì)。

7、分子間隙連續(xù)介質(zhì)第20頁(yè)，共36頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)53分，星期四1.2流體的粘性虛擬演示 粘性演示 PLAY定義：在流動(dòng)的流體中，如果各流體層的流速不相等，那么在相鄰的兩流體層之間的接觸面上，就會(huì)形成一對(duì)等值而反向的內(nèi)摩擦力（或粘性阻力）來(lái)阻礙兩氣體層作相對(duì)運(yùn)動(dòng)。即流體質(zhì)點(diǎn)具有抵抗其質(zhì)點(diǎn)作相對(duì)運(yùn)動(dòng)的性質(zhì)，就稱為流體的粘性。第21頁(yè)，共36頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)53分，星期四粘性舉例譬如看看河中的流水，觀察水面上漂浮的樹(shù)葉等物的速度差別可以發(fā)現(xiàn)靠岸處的水流就比河中心的水流慢些。這是典型的粘性影響.摩擦盤也是粘性力在起作用。第22頁(yè)，共36頁(yè)，2022年，5月20日，2

8、3點(diǎn)53分，星期四粘性產(chǎn)生的物理原因分子不規(guī)則運(yùn)動(dòng)的動(dòng)量交換分子間的吸引力第23頁(yè)，共36頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)53分，星期四牛頓內(nèi)摩擦定律 上式適合于流體作層狀運(yùn)動(dòng)的情況； 當(dāng)dV/dy=0，或 =0時(shí), =0； 切應(yīng)力的方向?yàn)椋寒?dāng)流體層被快層帶動(dòng)時(shí)， 的方向與運(yùn)動(dòng)方向一致，當(dāng)流體層被慢層阻 滯時(shí)，的方向與運(yùn)動(dòng)方向相反。 上式稱為牛頓內(nèi)摩擦定律。遵守牛頓內(nèi)摩擦 定律的流體稱為牛頓流體，如水、空氣和氣 體等本質(zhì)上都是牛頓流體；明膠，瀝青等為非牛頓 流體。第24頁(yè)，共36頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)53分，星期四影響粘性系數(shù)因素與流體有關(guān)與溫度有關(guān)：液體：T升高，粘性系數(shù)減小；

9、 氣體：T升高，粘性系數(shù)增大；與壓強(qiáng)有關(guān)：P不很高時(shí)，影響小，可忽略； P很高時(shí)，需要考慮影響。 對(duì)液體，按下式修正;粘性系數(shù)的獲取方法：試驗(yàn)；查流力手冊(cè)；經(jīng)驗(yàn)公式液壓用油 1/432 是壓強(qiáng)為0.1013MPa時(shí)的粘性系數(shù)； 是壓強(qiáng)為p時(shí)的粘性系數(shù); 第25頁(yè)，共36頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)53分，星期四混氣的粘性系數(shù)即速度梯度有多種氣體組成的混合氣體 速度梯度意義為剪切變形角速度第26頁(yè)，共36頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)53分，星期四基本概念附面層（邊界層）的概念理想流體第27頁(yè)，共36頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)53分，星期四各種流體的切應(yīng)力的斜率 t 塑性流體牛

10、頓流體漲塑性流體假塑性流體dv/dy第28頁(yè)，共36頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)53分，星期四1.3流體的導(dǎo)熱性導(dǎo)熱的三種方式：熱傳導(dǎo)；熱對(duì)流；熱輻射第29頁(yè)，共36頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)53分，星期四傅立葉定律式中，n 是表面的法線方向 是沿法線方向的溫度梯度 是導(dǎo)熱系數(shù)第30頁(yè)，共36頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)53分，星期四1.4高溫氣體的屬性 當(dāng)T600 800度時(shí)，空氣可以認(rèn)為是完全氣體。 2.600K 800K T 2000K時(shí)，分子振動(dòng)自由度被激發(fā)，但是化學(xué)反應(yīng)還末開(kāi)始， Cp, Cv， k 是溫度的函數(shù)，Cv= Cv( T) , Cp = Cv+R= C

11、p ( T) 空氣2000 T 9000度，會(huì)發(fā)生電離。第31頁(yè)，共36頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)53分，星期四完全氣體比熱比的變化T600K2000K第32頁(yè)，共36頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)53分，星期四完全氣體量熱完全氣體熱完全氣體為常數(shù)；第33頁(yè)，共36頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)53分，星期四舉例【例1】一塊可動(dòng)平板和另一塊不動(dòng)平板之間為某種流體，兩平板間的距離為0.5mm，可動(dòng)板若以0.25m/s的速度移動(dòng)，為了維持這個(gè)速度需要單位面積上的作用力為2N/m2,求這兩塊平板間流體的粘度。解：當(dāng)兩平板間的距離很小時(shí)，可以認(rèn)為平板間流體的流動(dòng)速度分布為線性=V/hF

12、= A=(F/A) (h/V)=0.004 N s/ m2第34頁(yè)，共36頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)53分，星期四【例2】轉(zhuǎn)軸直徑d=0.36m，軸承長(zhǎng)度l=1m，軸與軸承之間的縫隙寬度=0.2mm其中充滿=0.72Pas的油，若軸的轉(zhuǎn)速 n=200r/min， 求克服油的粘性阻力所消耗的功率?！窘狻坑沈?qū)動(dòng)力矩=阻力力矩得到 1(2r1l)r1= 2 (2r2l)r2 再由 =dV/dy 則得 (dV/dy)1=(dV/dy)2 (r2/r1)2因?yàn)榭p隙很小，近似認(rèn)為r1=r2，速度成線性分布即速度梯度為 dV/dy=V/ 其中，粘附于軸表面的油的運(yùn)動(dòng)速度V等于軸表面的周向速度，即 V= dn/60= 0.36 2