《北航空氣動力學(xué)》課件

《北航空氣動力學(xué)》課程介紹本課程旨在介紹空氣動力學(xué)基礎(chǔ)知識，包括空氣動力學(xué)基本概念、空氣動力學(xué)方程、流體動力學(xué)、氣動熱力學(xué)等內(nèi)容。通過本課程學(xué)習(xí)，學(xué)生將掌握流體動力學(xué)基本理論，并能夠運(yùn)用這些知識分析和解決實(shí)際工程問題。課程內(nèi)容概述空氣動力學(xué)基礎(chǔ)流體力學(xué)基本定律，流體靜力學(xué)，流體動力學(xué)，無粘流動，粘性流動等基礎(chǔ)知識飛行器氣動設(shè)計翼型設(shè)計理論，機(jī)翼氣動特性，機(jī)身氣動特性，尾翼氣動特性，飛機(jī)總體氣動設(shè)計等內(nèi)容飛行器氣動性能分析升力與阻力，氣動參數(shù)的無量綱表示，氣動系數(shù)的預(yù)測和測量，氣動縮比模型試驗(yàn)，數(shù)值模擬在氣動設(shè)計中的應(yīng)用等內(nèi)容飛行器氣動布局設(shè)計噴氣發(fā)動機(jī)原理，飛行器姿態(tài)穩(wěn)定與控制，飛行器氣動布局設(shè)計，未來航空發(fā)展趨勢等內(nèi)容空氣動力學(xué)基本概念空氣動力學(xué)研究物體在空氣中運(yùn)動時所產(chǎn)生的力和運(yùn)動規(guī)律，以及如何利用這些力來實(shí)現(xiàn)飛行。氣流空氣作為一種流體，會在物體運(yùn)動時繞過物體流動，形成氣流。氣動參數(shù)描述物體在空氣中運(yùn)動狀態(tài)的物理量，如速度、壓力、密度等。氣動效應(yīng)物體在空氣中運(yùn)動時所產(chǎn)生的力，如升力、阻力、側(cè)力等。流體力學(xué)基本定律1質(zhì)量守恒定律流體在流動過程中質(zhì)量始終保持不變，這是流體力學(xué)中最基本的定律之一。2動量守恒定律流體系統(tǒng)的動量總和保持不變，反映了流體運(yùn)動的慣性特性。3能量守恒定律流體系統(tǒng)的能量總和保持不變，包括動能、勢能和內(nèi)能。4牛頓粘性定律描述了流體內(nèi)部由于流動而產(chǎn)生的內(nèi)摩擦力，該定律適用于牛頓流體。流體靜力學(xué)流體靜力學(xué)概述流體靜力學(xué)是研究靜止流體的平衡條件和力學(xué)性質(zhì)。它是在流體力學(xué)基礎(chǔ)上建立的學(xué)科，廣泛應(yīng)用于航空航天、海洋工程等領(lǐng)域?；靖拍盍黧w靜力學(xué)的基本概念包括壓力、密度、浮力等。這些概念是研究靜止流體平衡和力學(xué)性質(zhì)的基礎(chǔ)。流體動力學(xué)流體運(yùn)動研究流體運(yùn)動規(guī)律，包括流體在不同外力作用下的運(yùn)動形式和速度變化。壓力分布分析流體內(nèi)部的壓力分布，包括靜壓和動壓，以及它們與流體速度之間的關(guān)系。粘性效應(yīng)研究流體內(nèi)部的粘性力對流體運(yùn)動的影響，包括邊界層、摩擦阻力等。能量守恒應(yīng)用能量守恒定律分析流體的能量轉(zhuǎn)換和流動過程，例如伯努利方程。無粘流動理想流體假設(shè)無粘流動基于理想流體假設(shè)，即流體沒有粘性，內(nèi)部無摩擦力。流線在無粘流動中，流體粒子沿著流線運(yùn)動，流線互不交叉。伯努利定理伯努利定理是無粘流動的基本定律之一，描述了流體速度和壓力的關(guān)系。粘性流動粘性流動定義流體內(nèi)部存在內(nèi)摩擦力的流動稱為粘性流動，也稱為實(shí)際流動。粘性流動中的流體運(yùn)動受到粘性的影響，導(dǎo)致能量損失。粘性流動特征粘性流動是現(xiàn)實(shí)世界中常見的流動類型，例如飛機(jī)在空氣中的飛行。流體粘性會導(dǎo)致邊界層形成，邊界層內(nèi)流速梯度很大，摩擦力顯著。邊界層理論流體粘性空氣動力學(xué)中，邊界層是流體與固體表面之間發(fā)生的薄層區(qū)域，這里流體流動受到粘性的影響。邊界層特性邊界層內(nèi)，流體速度從靠近固體表面處的零逐漸增加到自由流速度。邊界層分離邊界層分離是邊界層與固體表面脫離，形成渦流，對飛行器氣動性能產(chǎn)生負(fù)面影響。層流與湍流層流流體粒子沿平滑的、有規(guī)律的路徑流動。層流流體中的流體粒子保持平行的運(yùn)動軌跡，不會互相混合。湍流流體粒子以不規(guī)則、隨機(jī)的方式運(yùn)動。湍流流體中的流體粒子相互混合，產(chǎn)生漩渦和湍流。層流與湍流的區(qū)分根據(jù)流體速度、粘度和特征長度的組合，即雷諾數(shù)，來區(qū)分層流和湍流?？諝鈩恿α土氐亩x1空氣動力力的定義空氣動力力是指流體作用于物體表面的力，是空氣動力學(xué)研究的核心內(nèi)容。2空氣動力力的分類根據(jù)力的方向可分為升力、阻力、側(cè)力和縱向力等。3空氣動力力矩的定義空氣動力力矩是指空氣動力力對物體繞某一軸的旋轉(zhuǎn)作用。4空氣動力力矩的分類根據(jù)力矩方向可分為俯仰力矩、偏航力矩和滾轉(zhuǎn)力矩。升力與阻力升力機(jī)翼產(chǎn)生的垂直于來流方向的力，使飛機(jī)升空。阻力機(jī)翼產(chǎn)生的平行于來流方向的力，阻礙飛機(jī)飛行。氣動參數(shù)的無量綱表示參數(shù)無量綱形式意義速度馬赫數(shù)(Ma)速度與音速之比長度弦長(c)翼型或機(jī)翼的參考長度粘性雷諾數(shù)(Re)慣性力與粘性力之比升力與閥角關(guān)系1升力系數(shù)隨閥角增加而增大2最大升力出現(xiàn)在特定閥角3臨界閥角超過后升力下降4失速現(xiàn)象升力急劇下降升力與閥角之間存在復(fù)雜的關(guān)系。隨著閥角的增加，升力系數(shù)也會隨之增大。當(dāng)達(dá)到特定閥角時，升力達(dá)到最大值。如果繼續(xù)增加閥角，升力系數(shù)會開始下降，甚至出現(xiàn)失速現(xiàn)象，導(dǎo)致升力急劇下降。這一關(guān)系對飛行器設(shè)計至關(guān)重要，需要根據(jù)不同的飛行狀態(tài)選擇合適的閥角。阻力與雷諾數(shù)關(guān)系雷諾數(shù)是流體力學(xué)中重要的無量綱參數(shù)，用于表征流體的慣性力與粘性力之比。1層流雷諾數(shù)較低，流體流動平穩(wěn)，阻力較小。2過渡區(qū)雷諾數(shù)處于臨界狀態(tài)，流動不穩(wěn)定，阻力較大。3湍流雷諾數(shù)較高，流體流動混亂，阻力最大。雷諾數(shù)會影響流體的流動狀態(tài)，進(jìn)而影響飛行器的阻力。當(dāng)雷諾數(shù)較低時，流體流動處于層流狀態(tài)，阻力較小。隨著雷諾數(shù)的增加，流體流動逐漸過渡到湍流狀態(tài)，阻力隨之增大。氣動系數(shù)的預(yù)測和測量風(fēng)洞試驗(yàn)在風(fēng)洞中模擬真實(shí)飛行條件，測量氣動系數(shù)。數(shù)值模擬利用計算機(jī)程序求解氣動方程，預(yù)測氣動系數(shù)。翼型設(shè)計理論翼型形狀翼型形狀對氣動性能至關(guān)重要，包括升力、阻力、俯仰力矩等。翼型設(shè)計要考慮飛行速度、飛行高度、機(jī)動性能等因素。翼型參數(shù)翼型參數(shù)包括弦長、厚度、彎度、后緣厚度等。不同參數(shù)會影響翼型的氣動特性，需要根據(jù)實(shí)際需求選擇合適的翼型。機(jī)翼的氣動特性機(jī)翼是飛行器的重要組成部分，負(fù)責(zé)產(chǎn)生升力和控制飛行姿態(tài)。機(jī)翼設(shè)計需考慮多種氣動特性，包括升力系數(shù)、阻力系數(shù)、升力線斜率、失速特性等。理解機(jī)翼的氣動特性對飛行器設(shè)計和性能分析至關(guān)重要。機(jī)身氣動特性機(jī)身是飛機(jī)的主要承力結(jié)構(gòu)，影響飛機(jī)的阻力、升力以及氣動穩(wěn)定性。機(jī)身形狀對飛機(jī)的飛行性能影響巨大，設(shè)計師需要根據(jù)不同的飛行任務(wù)和設(shè)計目標(biāo)，優(yōu)化機(jī)身形狀。常見的機(jī)身形狀包括圓柱形、橢圓形、梭形等，每種形狀都有其優(yōu)缺點(diǎn)。尾翼的氣動特性尾翼是飛機(jī)的重要組成部分，用于控制飛機(jī)的俯仰和偏航運(yùn)動。尾翼的形狀和位置會影響飛機(jī)的穩(wěn)定性和操控性。本節(jié)將介紹尾翼的基本概念和氣動特性，以及它們在飛機(jī)設(shè)計中的重要作用。飛機(jī)總體氣動設(shè)計協(xié)調(diào)設(shè)計優(yōu)化各個部件之間的相互影響，以實(shí)現(xiàn)最佳性能。性能指標(biāo)考慮飛機(jī)的升力、阻力、穩(wěn)定性、操控性等方面的綜合性能指標(biāo)。氣動布局根據(jù)飛機(jī)的用途和性能要求，選擇合適的機(jī)翼、機(jī)身、尾翼等布局方式。風(fēng)洞試驗(yàn)通過風(fēng)洞試驗(yàn)驗(yàn)證飛機(jī)的氣動特性，并對設(shè)計方案進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化。噴氣發(fā)動機(jī)原理11.工作原理噴氣發(fā)動機(jī)利用燃?xì)馀蛎洰a(chǎn)生推力，推動飛機(jī)向前運(yùn)動。22.核心部件噴氣發(fā)動機(jī)主要由進(jìn)氣道、壓氣機(jī)、燃燒室、渦輪和噴管組成。33.工作過程空氣被吸入發(fā)動機(jī)，經(jīng)過壓氣機(jī)壓縮，在燃燒室與燃料混合燃燒，燃?xì)馀蛎浲苿訙u輪，最終從噴管排出產(chǎn)生推力。44.分類噴氣發(fā)動機(jī)可分為渦噴發(fā)動機(jī)、渦扇發(fā)動機(jī)、渦槳發(fā)動機(jī)和火箭發(fā)動機(jī)等類型。飛行器姿態(tài)穩(wěn)定與控制穩(wěn)定性飛機(jī)在受到外力擾動時，能夠自動恢復(fù)到平衡狀態(tài)，保證飛行安全?？煽匦燥w行員可以通過控制系統(tǒng)，改變飛機(jī)姿態(tài)，完成飛行任務(wù)。穩(wěn)定控制系統(tǒng)包括縱向穩(wěn)定性、橫向穩(wěn)定性、方向穩(wěn)定性，以及控制系統(tǒng)的設(shè)計。姿態(tài)控制通過舵面、升降舵、副翼等控制系統(tǒng)，調(diào)整飛機(jī)姿態(tài)，實(shí)現(xiàn)飛行目標(biāo)。飛行器氣動布局設(shè)計綜合考慮氣動布局設(shè)計需要綜合考慮飛機(jī)的性能、重量、尺寸、成本等因素，以實(shí)現(xiàn)最佳的飛行性能。氣動效率氣動布局設(shè)計需要最大限度地提高飛機(jī)的氣動效率，降低阻力，提高升力，減少油耗。穩(wěn)定性氣動布局設(shè)計需要確保飛機(jī)在飛行過程中的穩(wěn)定性，防止飛機(jī)失控或出現(xiàn)危險的飛行狀態(tài)。控制性氣動布局設(shè)計需要確保飛機(jī)能夠有效地控制方向、速度和高度，滿足飛行員的操作需求。氣動縮比模型試驗(yàn)1模型制造根據(jù)真實(shí)飛機(jī)比例縮小，制作精確的模型，材料需滿足特定要求。2風(fēng)洞測試將模型置于風(fēng)洞中，模擬真實(shí)飛行條件，測量氣動參數(shù)。3數(shù)據(jù)分析分析測試數(shù)據(jù)，推算真實(shí)飛機(jī)氣動性能，驗(yàn)證設(shè)計方案。4結(jié)果應(yīng)用將測試結(jié)果應(yīng)用于飛機(jī)設(shè)計，優(yōu)化性能，提高效率。數(shù)值模擬在氣動設(shè)計中的應(yīng)用效率提升數(shù)值模擬可快速測試不同設(shè)計方案，減少風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)次數(shù)，提高設(shè)計效率。模擬結(jié)果幫助優(yōu)化設(shè)計，減少原型制作成本。精確性數(shù)值模擬提供更精確的氣動特性數(shù)據(jù)，幫助設(shè)計人員理解氣流行為，優(yōu)化飛機(jī)性能。模擬結(jié)果可用于預(yù)測飛行器在不同飛行狀態(tài)下的表現(xiàn)，確保安全性。未來航空發(fā)展趨勢智能化未來飛機(jī)將更加智能化，實(shí)現(xiàn)自主飛行和智能控制?？沙掷m(xù)性未來飛機(jī)將更加注重可持續(xù)性，采用清潔能源和環(huán)保材料。太空探索未來飛機(jī)將更加注重太空探索，實(shí)現(xiàn)更高速、更長距離的飛行。高超聲速未來飛機(jī)將實(shí)現(xiàn)高超聲速飛行，突破傳統(tǒng)飛機(jī)的飛行速度限制。課程總結(jié)與展望理論實(shí)踐結(jié)合課程結(jié)合理論知識，并通過風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)等實(shí)踐環(huán)節(jié)，加深對空氣動力學(xué)原理的理解。未來航空發(fā)展展望未來，航空技術(shù)將繼續(xù)發(fā)展，例如，無人機(jī)、超音速飛機(jī)、航空航天技術(shù)。知識儲備學(xué)習(xí)空氣動力學(xué)知識，為未來的航空航天領(lǐng)域發(fā)展奠定基礎(chǔ)。課程知識點(diǎn)梳理空氣動力學(xué)基本概念定義、基本假設(shè)、流體特性。流體力學(xué)基本定律質(zhì)量守恒定律、動量守恒定律、能量守恒定律。無粘流動伯努利方程、拉普拉斯方程、勢流理論。粘性流動邊界層理論、層流與湍流、流動阻力。空氣動力力