飛機(jī)空氣動(dòng)力學(xué)課件：空氣動(dòng)力學(xué)概述

空氣動(dòng)力學(xué)概述《飛機(jī)空氣動(dòng)力學(xué)》目錄1.1空氣動(dòng)力學(xué)的定義1.6氣體流動(dòng)為難題1.4氣體性質(zhì)與速度的描述1.3研究空氣動(dòng)力學(xué)問(wèn)題的方法1.2空氣動(dòng)力學(xué)的應(yīng)用領(lǐng)域1.7跡線、煙線與流線1.5氣體的特性1.1

空氣動(dòng)力學(xué)的定義1.1

空氣動(dòng)力學(xué)的定義根據(jù)作用的物體來(lái)分類，力學(xué)可分為固體力學(xué)與流體力學(xué)兩大類。其中，根據(jù)固體受到作用力時(shí)是否變形，固體力學(xué)可分為剛體力學(xué)與材料力學(xué)兩種類型。而根據(jù)流體的可壓縮性，也就是流體流動(dòng)時(shí)的密度變化是否可以忽略不計(jì)，流體力學(xué)分為可壓縮流體力學(xué)與不可壓縮流體力學(xué)兩種類型。一般而言，研究者高速氣體，也就是流速高于0.3馬赫(Ma)氣體的流動(dòng)歸于可壓縮流體力學(xué)問(wèn)題范疇

；而將液體和低速氣體，也就是液體與流速低于0.3馬赫(Ma)氣體的流動(dòng)歸于不可壓縮流體力學(xué)問(wèn)題范疇，圖1-1力學(xué)的分類1.2

空氣動(dòng)力學(xué)的應(yīng)用領(lǐng)域1.2

空氣動(dòng)力學(xué)的應(yīng)用領(lǐng)域空氣動(dòng)力學(xué)是航空航天最重要的科學(xué)技術(shù)基礎(chǔ)之一，它與飛機(jī)的產(chǎn)生和發(fā)展息息相關(guān)，涉及飛機(jī)的飛行性能、穩(wěn)定性和操縱性等問(wèn)題。隨著科技的進(jìn)步，空氣動(dòng)力學(xué)的應(yīng)用越來(lái)越廣，除了傳統(tǒng)的航空航天工業(yè)，還涉及汽車制造以及高速列車設(shè)計(jì)。另外，空氣動(dòng)力學(xué)與工程熱力學(xué)的相互融合可以應(yīng)用于冷凍空調(diào)與機(jī)械散熱等方面。機(jī)械工業(yè)中的潤(rùn)滑、冷卻以及氣壓傳動(dòng)與控制問(wèn)題的解決，也必須應(yīng)用空氣動(dòng)力學(xué)的理論。在冶金工業(yè)中，還會(huì)遇到像氣體在爐內(nèi)的流動(dòng)、通風(fēng)與冷卻等空氣動(dòng)力學(xué)問(wèn)題；風(fēng)力發(fā)電的綠能技術(shù)研發(fā)與氣候的預(yù)測(cè)和天災(zāi)的防護(hù)也需要空氣動(dòng)力學(xué)。圖1-2空氣力學(xué)的應(yīng)用領(lǐng)域1.3

研究空氣動(dòng)力學(xué)問(wèn)題的方法1.3

研究空氣動(dòng)力學(xué)問(wèn)題的方法理論解析法是以基本概念、定律和數(shù)學(xué)工具來(lái)計(jì)算簡(jiǎn)單氣體流動(dòng)問(wèn)題的方法。優(yōu)點(diǎn)是計(jì)算的結(jié)果方便分析隱含的物理觀念與影響變量的函數(shù)關(guān)系，但缺點(diǎn)是對(duì)于復(fù)雜或不規(guī)則外形的氣體流動(dòng)問(wèn)題

，無(wú)法嚴(yán)密求解，需要通過(guò)必要的實(shí)驗(yàn)研究加以驗(yàn)證或修正理論解析法實(shí)驗(yàn)觀測(cè)法是通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀察或測(cè)量氣體的流動(dòng)性質(zhì)與運(yùn)動(dòng)速度的變化，以了解氣體流動(dòng)特性的辦法。在航空航天研究領(lǐng)域中主要利用風(fēng)洞或水洞進(jìn)行模型或原型實(shí)驗(yàn)。它的優(yōu)點(diǎn)是能夠提供大量的實(shí)驗(yàn)資料，使得研究者能從中發(fā)現(xiàn)與分析流動(dòng)中的(新)現(xiàn)象或者(新)原理。它的缺點(diǎn)是成本過(guò)高，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)觀測(cè)法研究空氣動(dòng)力學(xué)問(wèn)題往往消耗大量的人力、物力、財(cái)力與時(shí)間實(shí)驗(yàn)觀測(cè)法數(shù)值計(jì)算法是利用計(jì)算機(jī)的快速運(yùn)算與儲(chǔ)存能力強(qiáng)大的特性，結(jié)合計(jì)算流體力學(xué)的數(shù)值方法求解空氣流動(dòng)問(wèn)題。隨著計(jì)算機(jī)運(yùn)算能力的日漸強(qiáng)大，其被廣泛地用于解決復(fù)雜的空氣流動(dòng)問(wèn)題。優(yōu)點(diǎn)是費(fèi)用少且計(jì)算能力強(qiáng)大，模擬結(jié)果也與現(xiàn)實(shí)誤差較少。缺點(diǎn)是計(jì)算結(jié)果為數(shù)值數(shù)據(jù)，不能全面反映物理現(xiàn)象數(shù)值計(jì)算法0102021.3

研究空氣動(dòng)力學(xué)問(wèn)題的方法綜合分析表1-1空氣動(dòng)力學(xué)問(wèn)題研究方法的優(yōu)缺點(diǎn)比較表特性方法理論解析法實(shí)驗(yàn)觀測(cè)法數(shù)值計(jì)算法研究方式手工計(jì)算實(shí)際觀察或測(cè)量計(jì)算機(jī)計(jì)算主要優(yōu)點(diǎn)(1)有明確方程式；(2)計(jì)算容易；(3)物理觀念與影響變量的函數(shù)關(guān)系清楚，可用于協(xié)助解釋物理現(xiàn)象(1)眼見為憑，具說(shuō)服力；(2)不需要代入假設(shè)；(3)可以探討真實(shí)現(xiàn)象(1)可以計(jì)算復(fù)雜問(wèn)題；(2)不需要使用太多假設(shè)；(3)計(jì)算機(jī)模擬所得的結(jié)果與真實(shí)現(xiàn)象之間的誤差較少主要缺點(diǎn)(1)只能求解簡(jiǎn)單問(wèn)題；(2)過(guò)多假設(shè)容易產(chǎn)生嚴(yán)重的誤差，使得解析的結(jié)果可能會(huì)和真實(shí)現(xiàn)象不同(1)需要實(shí)驗(yàn)設(shè)備；(2)必須校正實(shí)驗(yàn)精度；(3)成本過(guò)高(1)需要計(jì)算機(jī)；(2)必須校正模擬誤差；(3)不易掌握物理現(xiàn)象這里將3種空氣動(dòng)力學(xué)問(wèn)題研究方法的特性歸納如表1-1所示041.3

研究空氣動(dòng)力學(xué)問(wèn)題的方法從表1-1中可知，理論解析法、實(shí)驗(yàn)觀測(cè)法與數(shù)值計(jì)算法研究各有優(yōu)缺點(diǎn)。理論解析法與數(shù)值計(jì)算法的結(jié)果必須和實(shí)驗(yàn)結(jié)果做對(duì)比，得以確認(rèn)理論的可用性與精確度，并促使研究理論進(jìn)一步發(fā)展。反過(guò)來(lái)，實(shí)驗(yàn)觀測(cè)法也需要理論來(lái)指導(dǎo)，否則容易失去研究的方向而陷入盲目的狀態(tài)。總之，理論解析法、實(shí)驗(yàn)觀測(cè)法以及數(shù)值計(jì)算法這3種方法對(duì)空氣動(dòng)力學(xué)問(wèn)題的研究都非常重要，各有利弊，彼此間相輔相成，在不同的研究階段需要不同的研究方法。就飛行器的研發(fā)過(guò)程而言，在初步設(shè)計(jì)階段，使用理論解析法進(jìn)行分析和計(jì)算可以完成快速選型的工作；在精細(xì)設(shè)計(jì)階段，數(shù)值計(jì)算和風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)是主要的研究手段；在飛行器定型后，飛行實(shí)驗(yàn)成為研究的主力1.4

氣體性質(zhì)與速度的描述1.4

氣體性質(zhì)與速度的描述空氣動(dòng)力學(xué)主要研究氣體在靜止或流動(dòng)時(shí)的性質(zhì)與速度的變化，以及氣體流動(dòng)對(duì)物體造成的影響。一般而言，在研究空氣動(dòng)力學(xué)問(wèn)題時(shí)，主要是探討氣體的壓力、密度、溫度、速度與黏性等1

．壓

力(1)定義壓力(Pressure)指物體在單位面積上所承受正向力的大小，用符號(hào)P表示如圖1-3所示，物體所承受的壓力是單位面積所受的正P

=lim

N

A→

0

A壓力的公制單位是Pa或N/m2

。一般而言，地表的平

均大氣壓力相當(dāng)于76cm水銀柱的壓力，其值約為1.013×105

Pa，即1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓圖1-3壓力的定義向力(垂直力)，即：

F

1.4

氣體性質(zhì)與速度的描述(2)

種類常用的壓力可分為絕對(duì)壓力和相對(duì)壓力兩種。絕對(duì)壓力(Absolute

pressure)是以壓力的絕對(duì)零值

(絕對(duì)真空)為基準(zhǔn)測(cè)量出的壓力，用符號(hào)

表示；相對(duì)壓力(Relative

pressure)是以當(dāng)?shù)氐拇髿鈮毫榛鶞?zhǔn)測(cè)量出的壓力，又稱為表壓(GagePressure)，用符號(hào)或表示。三者關(guān)系如圖1-4所示絕對(duì)壓力與相對(duì)壓力(表壓)之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系為

=

+

Pg

雖然壓力的表示法有絕對(duì)壓力與相對(duì)壓力(表壓)，但是在空氣動(dòng)力學(xué)公式中的壓力值，必須使用絕對(duì)壓力的形式圖1-4絕對(duì)壓力與相對(duì)壓力(表壓)之間的關(guān)系atmPabsPgagePabsP1.4

氣體性質(zhì)與速度的描述【例1-1】如果大氣壓力atm

為9

kPa，而壓力表讀數(shù)為2.25

kPa，試求絕對(duì)壓力【解答】因?yàn)椋?

+

Pg

，所以=98kPa

+2.25kPa

=100.25kPaabsPatmPabsPabsPP1.4

氣體性質(zhì)與速度的描述2.

密度氣體密度指每單位體積內(nèi)所包含氣體的質(zhì)量，用符號(hào)p表示。其公式定義為：p

=

lim

m

V→

0

V式中，p為氣體的密度，m為氣體的質(zhì)量，V為氣體體積m對(duì)于空間各點(diǎn)密度相同的氣體而言，p

=

，在地表上的平均大氣密度約為1.225kg/m3

，但是大氣密度的值隨著高度的上升而變小，這是因?yàn)殡S著高度的上升，空氣越來(lái)越稀薄。研究空氣動(dòng)力學(xué)時(shí)，很多時(shí)候用所謂氣體比容(Specificvolue)或氣體比重力(Specificweight)的形式來(lái)表示氣體的密度其與氣體的密度的關(guān)系式為v

=

或

=pg式v中，為氣體的比p容，為氣體的密度，為氣體的比重力，而g為重力加速度，其值約為9.81m/s2V1.4

氣體性質(zhì)與速度的描述(2)轉(zhuǎn)換公式攝氏溫度(oC)、華氏溫

度(oF)、開氏溫度(K)

以及朗氏溫度(oR)，這

4種類型的溫度彼此之間可以相互轉(zhuǎn)換攝氏溫度(oC)與華氏溫度(oF)的換算A

oF＝(9/5×B＋32)

oC攝氏溫度(oC)與開氏溫度(K)的換算A

K＝(B＋273.15)

oC華氏溫度(oF)與朗氏溫度(oR)的換算A

oR＝(B＋459.67)

oR1.4

氣體性質(zhì)與速度的描述【例1-2】若大氣溫度為25，試轉(zhuǎn)換為華氏溫度(oF)、開氏溫度(K)以及朗氏溫度(oR)【解答】根據(jù)公式(1-1)，華氏溫度為根據(jù)公式(1-2)，開氏溫度為

根據(jù)公式(1-3)，朗氏溫度為

25+32=77(oF)25+273.15=298.15(K)

77+459.67=536.67(oR)1.4

氣體性質(zhì)與速度的描述4.

速度速度(Velocity)是衡量物體運(yùn)動(dòng)或流體流動(dòng)快慢程度的性質(zhì)參數(shù)，航空航天領(lǐng)域多用馬赫數(shù)(Mach

number)來(lái)表示，例如在研究飛機(jī)飛行時(shí)就經(jīng)常以馬赫數(shù)的形式來(lái)表示飛行速度。馬赫數(shù)是物體的運(yùn)動(dòng)速度或氣體流動(dòng)的速度對(duì)聲速的比值，用符號(hào)Ma表示。實(shí)驗(yàn)與研究證明，在進(jìn)行空氣動(dòng)力學(xué)的問(wèn)題研究時(shí)，如果物體的運(yùn)動(dòng)速度或者氣體流動(dòng)的速度低于0.3馬赫，可以將氣體的密度變化忽略不計(jì)；但如果速度高于0.3馬赫，則必須考慮氣體的密度變化。除此之外，如果物體的局部運(yùn)動(dòng)速度或者氣體流場(chǎng)的局部流速高于聲速，也就是局部馬赫數(shù)大于或等于1.0，還必須探討激波對(duì)氣體性質(zhì)造成的影響。通常在地表上大氣的平均聲速約為340m/s，在離地10km高度(大型民航客機(jī)的平均巡航高度)，大氣的平均聲速值約為300m/s，由此可知在對(duì)流層內(nèi)大氣的聲速隨著離地表高度的增加而逐漸減少1.4

氣體性質(zhì)與速度的描述【例1-3】如果一架飛機(jī)的飛行速度為120m/s，聲速為300m/s，飛機(jī)的飛行馬赫數(shù)是多少？【解答】根據(jù)馬赫數(shù)的定義公式

Ma

=

飛機(jī)的飛行馬赫數(shù)為

Ma

==0.41.4

氣體性質(zhì)與速度的描述5.

質(zhì)量流率與體積流率在研究氣體在管道內(nèi)的流動(dòng)時(shí)，通常會(huì)使用質(zhì)量流率來(lái)計(jì)算氣體流經(jīng)管道截面的密度與速度變化，從而求出其壓力的變化。對(duì)于低速流動(dòng)的氣體，通常使用體積流率。質(zhì)量流率(Massflow

rate)m&與體積流率Q&的計(jì)算公式分別為m&=pAV

Q&=

AV式中，m&為氣體的質(zhì)量流率，Q&為氣體的體積流率，p為流體密度，A為流體流經(jīng)管道的截面面積，V為流體的平均流速1.4

氣體性質(zhì)與速度的描述6、黏性黏性是流體固有的特性，氣體既然為流體的一種，自然不可能不具備黏性，流體流動(dòng)或者物體在流體中運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)阻滯流動(dòng)的力，流體的這一特有屬性，稱為流體的黏性(Viscidity)。在空氣動(dòng)力學(xué)的問(wèn)題研究中發(fā)現(xiàn)空氣的黏性對(duì)飛機(jī)飛行的影響就好像固體在地面運(yùn)動(dòng)時(shí)，摩擦力與物體運(yùn)動(dòng)的關(guān)系一樣，空氣的黏性會(huì)造成飛機(jī)的飛行速度降低。我們通常用空氣的動(dòng)力黏度(Dynamicviscosity，簡(jiǎn)稱為黏度)表示空氣的黏性，又因?yàn)榭諝獾酿ば耘c空氣密度p有關(guān)，所以常引入運(yùn)動(dòng)

p但是其對(duì)航空器飛行的影響卻不能忽略，因此在研究飛機(jī)的外形與性能設(shè)計(jì)的問(wèn)題時(shí)，空氣的黏性是一個(gè)非常重要且不可或缺的特性黏度(Kinematicviscosity)的觀念，其定義公式為v

=

。雖然空氣的黏性較小，不容易被察覺，

1.4

氣體性質(zhì)與速度的描述

【例1-4】飛機(jī)在靜止時(shí)會(huì)有黏性作用產(chǎn)生嗎？【解答】黏性是指物體在流體中運(yùn)動(dòng)時(shí)，流體對(duì)物體產(chǎn)生一個(gè)阻滯其運(yùn)動(dòng)的力，靜止的飛機(jī)因?yàn)闆]有運(yùn)動(dòng)，所以沒有黏性作用的產(chǎn)生【例1-5】飛機(jī)在巡航時(shí)是否具有黏性作用？【解答】

黏性是指物體在流體中運(yùn)動(dòng)時(shí)，流體對(duì)物體產(chǎn)生一個(gè)阻滯其運(yùn)動(dòng)的力，飛機(jī)巡航是指飛機(jī)在等高度以等速度飛行，既然有飛行運(yùn)動(dòng)，當(dāng)然會(huì)有黏性作用的產(chǎn)生1.4

氣體性質(zhì)與速度的描述7、雷諾數(shù)在流體力學(xué)問(wèn)題的研究過(guò)程中，通常會(huì)利用雷諾數(shù)的大小來(lái)判定流體流動(dòng)的形態(tài)，空氣動(dòng)力學(xué)同樣如此。從物理觀點(diǎn)來(lái)看，氣體的雷諾數(shù)(Reynolds

number)可以視為氣體流場(chǎng)內(nèi)慣性力(Inertial

force)與黏滯力(Viscous

force)的比值，用符號(hào)Re表示。而從數(shù)學(xué)上的定義來(lái)看，氣pVL

長(zhǎng)度，為氣體的動(dòng)力黏度。當(dāng)氣體的雷諾數(shù)較小時(shí)，黏滯力對(duì)氣體流場(chǎng)的影響大于慣性力，流場(chǎng)中氣體流動(dòng)時(shí)的擾動(dòng)會(huì)因?yàn)轲Χ饾u衰減，因此氣體質(zhì)點(diǎn)做規(guī)則性運(yùn)動(dòng)，此時(shí)氣體的流動(dòng)形態(tài)為層流 (Laminarflow)；反之，如果氣體的雷諾數(shù)較大時(shí)，慣性力對(duì)氣體流場(chǎng)的影響大于黏滯力，氣體質(zhì)

點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)呈現(xiàn)不規(guī)則性的擾動(dòng)，此時(shí)氣體的流動(dòng)形態(tài)為湍流(Turbulent

flow)。體的雷諾數(shù)可以用計(jì)算公式Re

=

來(lái)計(jì)算。式中，p為氣體的密度，V為氣體流動(dòng)的速度，L為特征1.4

氣體性質(zhì)與速度的描述7、雷諾數(shù)實(shí)驗(yàn)與研究均已證實(shí)，如果氣體的雷諾數(shù)高于某一個(gè)數(shù)值時(shí)，流動(dòng)形態(tài)開始由層流轉(zhuǎn)換成湍流，我們稱之為臨界雷諾數(shù)(Critical

Reynolds

number)，用符號(hào)Rec

表示，由此可知?dú)怏w的雷諾數(shù)低于臨界雷諾數(shù)時(shí)，則氣體的流動(dòng)形態(tài)可直接判定為層流。研究中發(fā)現(xiàn)，飛行器在湍流中飛行時(shí)，其受到的飛行阻力要比層流的大，因此在飛行器的設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)該盡量使流經(jīng)飛行器表面的氣流保持在層流狀態(tài)1.5

氣體的特性

1.5

氣氣體體性的質(zhì)特與性速度的描述1、連續(xù)性在研究流體力學(xué)問(wèn)題的過(guò)程中，通常將流體視為連續(xù)體，也就是做流體連續(xù)性假設(shè)，空氣動(dòng)力學(xué)也不例外。通常將氣體視為一個(gè)連續(xù)而沒有間隙的介質(zhì)，即將氣體當(dāng)作連續(xù)介質(zhì)或者連續(xù)體來(lái)考慮，這就是氣體連續(xù)性假設(shè)。2、壓縮性氣體的密度受壓力、溫度與速度的影響，氣體的壓縮性是指流體受影響時(shí)密度變化的程度。對(duì)于低速流動(dòng)的氣體，也就是流速低于0.3馬赫的氣體而言，氣體密度的變化通?？梢院雎圆挥?jì)，也就是氣體的密度可視為常數(shù)3、黏滯性黏性是流體固有的特性，氣體作為流體的一種，也不例外。由于具有黏性，氣體在流動(dòng)或者物體在氣體中運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)阻滯流體流動(dòng)或物體在流體中運(yùn)動(dòng)的力。由于空氣具有黏性，會(huì)對(duì)飛機(jī)產(chǎn)生一個(gè)阻滯飛行的力，我們

稱之為飛行阻力。與流體力學(xué)問(wèn)題的研究一樣，在研究空氣動(dòng)力學(xué)問(wèn)

題時(shí)，首先必須了解氣體的固有特(屬)性，才能

掌握問(wèn)題的核心。一般而言，我們常探討的氣體特

性有連續(xù)性、壓縮性與黏滯性3種特性1.6

氣體流動(dòng)問(wèn)題的分類1.6

氣體流動(dòng)問(wèn)題的分類如同對(duì)流體力學(xué)問(wèn)題的研究一樣，從簡(jiǎn)到繁，從易到難，在研究空氣動(dòng)力學(xué)問(wèn)題的過(guò)程中，我們通常會(huì)根據(jù)實(shí)際需要，在允許的精確度范圍內(nèi)，盡量抓住主要的影響因素并忽略次要的影響因素，力求將問(wèn)題簡(jiǎn)化以節(jié)省研究問(wèn)題的時(shí)間與成本。這就需要將氣體流動(dòng)的問(wèn)題加以分類，如圖1-5所示圖1-5氣體流動(dòng)問(wèn)題的分類氣體流動(dòng)問(wèn)題分為穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)與非穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)、一維與多維流場(chǎng)、內(nèi)部流場(chǎng)與外部流場(chǎng)、層流流場(chǎng)與湍流流場(chǎng)、不可壓縮流場(chǎng)與可壓縮流場(chǎng)以及黏性流場(chǎng)與非黏性流場(chǎng)等不同類型1.6

氣體流動(dòng)問(wèn)題的分類1、穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)與非穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)根據(jù)氣體連續(xù)性假設(shè)，我們將氣體流場(chǎng)的壓力P、密度ρ和溫度T以及氣體的流速V等表示成

P

=

P(x,

y,

z,

t)，p

=

p(x,

y,

z,

t)，T

=T(x,y,z,t)，V

=V(x,y,z,t)

等函數(shù)形式。式中，x、y、z為直角坐標(biāo)的空間變量，t為時(shí)間變量。所謂穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)的假設(shè)是指氣體的流動(dòng)性質(zhì)與流速隨著時(shí)間所產(chǎn)生的變化量非常小，以至于我們可以將這些變化量忽略不計(jì)，而這種流體流場(chǎng)又稱為定常流場(chǎng)。值得注意的是，必須是氣體流場(chǎng)中所有的性質(zhì)或流速的值都不隨時(shí)間改變，這種氣體流場(chǎng)才能稱為穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)或定常流場(chǎng)。只要有一個(gè)氣體的性質(zhì)或流速隨時(shí)間改變，

就不是穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)，而是非穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)(Unsteady

flow

field)或非定常流場(chǎng)。對(duì)于穩(wěn)定的氣體流動(dòng)問(wèn)題，

我們通常將氣體的流動(dòng)形態(tài)假設(shè)為穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)(Steady

flow

field)，以降低研究氣體流動(dòng)問(wèn)題的難度1.6

氣體流動(dòng)問(wèn)題的分類2、維數(shù)簡(jiǎn)化的觀念根據(jù)氣體連續(xù)性假設(shè)和流場(chǎng)參數(shù)函數(shù)可知，氣體的流動(dòng)性質(zhì)與氣體的流速會(huì)因空間與時(shí)間不同而變化。如果氣體流動(dòng)時(shí)在某方向的性質(zhì)與流速變化非常小，我們可以將其在該方向的變化量忽略不計(jì)，這就是維數(shù)簡(jiǎn)化的觀念如果氣體的流動(dòng)性質(zhì)與速度必須使用3個(gè)空間坐標(biāo)的函數(shù)來(lái)表示，則氣體的流場(chǎng)就稱為三維流場(chǎng)(Three-dimensional

flow

field)；如果氣體的流動(dòng)性質(zhì)與速度可以使用兩個(gè)空間坐標(biāo)的函數(shù)來(lái)表示，則氣體的流場(chǎng)就稱為二維流場(chǎng)(Two-dimensional

flow

field)；如果氣體在流動(dòng)時(shí)，氣體的性質(zhì)和流速僅隨著單一空間坐標(biāo)而改變，也就是氣體的流動(dòng)性質(zhì)與速度可以僅使用單一空間坐標(biāo)的函數(shù)來(lái)表示，則氣體的流場(chǎng)就稱為一維流場(chǎng)(One-dimensional

flow

field)。而如果氣體的流動(dòng)性質(zhì)與速度都不隨位置與時(shí)間改變，則這種流場(chǎng)稱為均勻流場(chǎng)(Uniform

flow

field)1.6

氣體流動(dòng)問(wèn)題的分類氣體的流動(dòng)性質(zhì)與速度會(huì)因?yàn)闅怏w連續(xù)性假設(shè)而表示為位置和時(shí)間的函數(shù)，因此氣體流場(chǎng)是否為穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)要與維數(shù)簡(jiǎn)化合并考慮。根據(jù)流場(chǎng)穩(wěn)態(tài)與否及維數(shù)簡(jiǎn)化的觀念，可以將氣體流場(chǎng)分成三維穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)、二維穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)、一維穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)、三維非穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)、二維非穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)、一維非穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)和均勻流場(chǎng)等類型。氣體流場(chǎng)穩(wěn)態(tài)與否以及維數(shù)的選擇往往與研究問(wèn)題所求的精確度以及研究的物理現(xiàn)象有關(guān)例如在研究發(fā)動(dòng)機(jī)噴管內(nèi)流動(dòng)狀態(tài)時(shí)，如果不需要精確地設(shè)計(jì)發(fā)動(dòng)機(jī)尾噴管，可以近似地認(rèn)為尾噴管氣體的流動(dòng)參數(shù)只沿著噴管軸線方向，也就是如圖1-6(a)所示x軸方向變化，而將其他方向的變化忽略。這樣原本實(shí)際問(wèn)題中的三維流動(dòng)就簡(jiǎn)化成了一維流動(dòng)圖1-6(a)發(fā)動(dòng)機(jī)噴管的一維流場(chǎng)圖1-6維數(shù)簡(jiǎn)化觀念1.6

氣體流動(dòng)問(wèn)題的分類如果發(fā)動(dòng)機(jī)處于穩(wěn)定的工作狀態(tài)，氣體流場(chǎng)就是穩(wěn)態(tài)一維流場(chǎng)；而在發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)或停車時(shí)，工作狀態(tài)并不穩(wěn)定，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)噴管內(nèi)的氣體流場(chǎng)就是一維非穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)。又比如，均勻氣體流過(guò)機(jī)翼時(shí)，如果翼展比翼弦大得多(可看作是無(wú)限翼展)，且機(jī)翼的翼型剖面形狀不變，我們可以忽略機(jī)翼兩端的影響，也就是將流動(dòng)參數(shù)沿著翼展方向(z方向)的變化忽略不計(jì)，

只考慮在x軸與y軸的方向上的變化。此時(shí)氣體的流

場(chǎng)是二維流場(chǎng)，如圖1-6(b)所示圖1-6(b)無(wú)限翼展的二維流場(chǎng)圖1-6維數(shù)簡(jiǎn)化觀念1.6

氣體流動(dòng)問(wèn)題的分類如果機(jī)翼的翼展為有限翼展則必須考慮兩翼翼端氣流的影響，此時(shí)流動(dòng)參數(shù)由x

軸、y軸與z軸的位置來(lái)決定，因此氣體的流場(chǎng)是三維流場(chǎng)，如圖1-6(c)所示圖1-6(6)有限翼展的三維流場(chǎng)圖1-6維數(shù)簡(jiǎn)化觀念1.6

氣體流動(dòng)問(wèn)題的分類3

．內(nèi)部流場(chǎng)與外部流場(chǎng)氣體流場(chǎng)可分成內(nèi)部流場(chǎng)與外部流場(chǎng)兩種類型。如圖1-7所示，我們將飛機(jī)模型放在風(fēng)洞中測(cè)試，觀察的重點(diǎn)是空

氣流動(dòng)在風(fēng)洞內(nèi)部的性質(zhì)變化，此類型流場(chǎng)就叫作內(nèi)部流場(chǎng) (Internal

flow

field)飛機(jī)在空氣中飛行，觀察的重點(diǎn)是飛機(jī)表面外部氣流的性質(zhì)變化，則我們將此類流場(chǎng)稱為外部流場(chǎng)(Externalflowfield)，如圖1-8所示通常將管流與發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部氣流的性質(zhì)變化歸屬于內(nèi)部流場(chǎng)問(wèn)題研究范疇，而飛機(jī)飛行時(shí)的空氣性質(zhì)變化、飛行力學(xué)與飛行控制則歸屬于外部流場(chǎng)問(wèn)題研究范疇圖1-7飛機(jī)模型在風(fēng)洞測(cè)試圖1-8飛機(jī)飛行空氣流動(dòng)1.6

氣體流動(dòng)問(wèn)題的分類4．層流流場(chǎng)與湍流流場(chǎng)英國(guó)物理學(xué)家雷諾在1883年以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)根據(jù)雷諾數(shù)Re將流動(dòng)形態(tài)分成層流流動(dòng)和湍流流動(dòng)兩種類型。他發(fā)現(xiàn)，流體在低于臨界雷諾數(shù)流動(dòng)時(shí)，流體流動(dòng)的類型為層流流動(dòng)

(Laminar

flow)；而在高于臨界雷諾數(shù)流動(dòng)時(shí)，流體的流動(dòng)會(huì)逐漸地由層流轉(zhuǎn)換成湍流(Turbulent

flow)。層流流場(chǎng)與湍流流場(chǎng)的流動(dòng)性質(zhì)變化與速度分布的特性如圖1-9所示從圖中可以看出層流流動(dòng)時(shí)，流體做平滑、直線與分層運(yùn)動(dòng)，流體質(zhì)點(diǎn)彼此之間不會(huì)互相混雜與干擾，也就是說(shuō)流體質(zhì)點(diǎn)做規(guī)則運(yùn)動(dòng)。而湍流流動(dòng)時(shí)，流體會(huì)出現(xiàn)許多小旋渦，流體質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)呈現(xiàn)不規(guī)則的擾動(dòng)。層流流動(dòng)的流體質(zhì)點(diǎn)為有規(guī)則性運(yùn)動(dòng)(a)層流(b)湍流圖1-9層流與湍流的流動(dòng)特性1.6

氣體流動(dòng)問(wèn)題的分類5、可壓縮流與不可壓縮流根據(jù)氣體流動(dòng)的速度，可以將氣體流動(dòng)的形態(tài)分成可壓縮流(Compressible

flow)與不可壓縮流(Incompressible

flow)兩種?？蓧嚎s性是指氣體在壓力與溫度變化時(shí)，其體積和密度發(fā)生了變化。例如空氣流過(guò)飛行器的表面時(shí)，在一些部位氣流速度增加，氣流的壓力減小，密度也隨之下降；在一些部位氣流速度減小，氣流的壓力增加，密度也隨之上升，這就是空氣流動(dòng)產(chǎn)生的壓縮性在流場(chǎng)內(nèi)的體現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)與研究均已證明低于0.3馬赫時(shí)，氣體流動(dòng)的密度變化非常小以至可以將密度變化量忽略不計(jì)，也就是可將密度視為常數(shù)，這就是耳熟能詳?shù)摹安豢蓧嚎s流”的假設(shè)。對(duì)于高于0.3馬赫的氣體而言，密度變化必須考慮，我們稱之為可壓縮流場(chǎng)(Compressibleflowfield)。我們又將不可壓縮流的氣體流動(dòng)問(wèn)題歸屬于低速流動(dòng)范疇，而將可壓縮流的氣體流動(dòng)問(wèn)題歸屬于高速流動(dòng)范疇1.6

氣體流動(dòng)問(wèn)題的分類【例1-6】如果飛機(jī)的飛行速度為0.15馬赫，流過(guò)飛機(jī)表面的空氣流動(dòng)形態(tài)為哪種類型？【解答】因?yàn)轱w機(jī)的飛行速度為0.15馬赫，所以流過(guò)飛機(jī)表面的空氣流速小于0.3馬赫，其流動(dòng)的形態(tài)為不可壓縮流1.6

氣體流動(dòng)問(wèn)題的分類6、黏性流與非黏性流流體的黏性是流體的固有特性之一，任何流體流動(dòng)或物體在流體流場(chǎng)運(yùn)動(dòng)時(shí)都不可能沒有黏滯效應(yīng)的產(chǎn)生，所以實(shí)際上氣體為黏性流體(Viscous

fluid)。但是在空氣動(dòng)力學(xué)的問(wèn)題研究時(shí)，氣體的黏性對(duì)理論分析和數(shù)值計(jì)算等數(shù)學(xué)建模以及計(jì)算時(shí)間與成本上都會(huì)帶來(lái)困難。對(duì)于某些低速氣流的問(wèn)題，氣體的黏性對(duì)分析或者計(jì)算的結(jié)果影響甚微以至可以將氣體的黏性忽略不計(jì)，也就是假設(shè)氣體的黏度=0，即為非黏性流(Inviscidflow)的假設(shè)。雖然使用非黏性流的假設(shè)會(huì)大大簡(jiǎn)化研究過(guò)程，又不會(huì)影響某些問(wèn)題的基本結(jié)論，但在實(shí)際工作中，根據(jù)這個(gè)假設(shè)去計(jì)算和分析往往會(huì)影響問(wèn)題的精確度，甚至計(jì)算結(jié)果會(huì)發(fā)生與實(shí)際現(xiàn)象不符的情況，特別是在飛機(jī)的外形與性能設(shè)計(jì)等空氣動(dòng)力問(wèn)題的研究上。所以氣體的黏性是研究空氣動(dòng)力學(xué)時(shí)的一個(gè)非常重要而不可或缺的特性1.6

氣體流動(dòng)問(wèn)題的分類【例1-7】在空氣動(dòng)力學(xué)的問(wèn)題研究中非黏性流假設(shè)的意義是什么？【解答】在空氣動(dòng)力學(xué)的問(wèn)題研究中，我們常假設(shè)氣體的黏性對(duì)分析或者計(jì)算的結(jié)果影響非常小，以至可以將氣體的黏性忽略不計(jì)，也就是假設(shè)氣體的黏度

=0，即為非黏性流的假設(shè)1.7

跡線、煙線與流線1.7

跡線、煙線與流線為了明確地描述流體運(yùn)動(dòng)，這里引入跡線、煙線和流線的觀念，其概念如圖1-10所示(b)煙線(a)跡線(c)流線圖1-10跡線、煙線與流線的概念1.7

跡線、煙線與流線1、跡線的意義跡線(Path

line)是某一特定流體質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡，如圖1-10(a)所示。因?yàn)榱鲌?chǎng)中有無(wú)窮多個(gè)流體質(zhì)點(diǎn)而且每一個(gè)流體質(zhì)點(diǎn)在運(yùn)動(dòng)的時(shí)候都有一條運(yùn)動(dòng)軌跡，所以跡線會(huì)有無(wú)窮多條。又因?yàn)榭紤]的流體質(zhì)點(diǎn)是以流動(dòng)的局部速度隨著流體運(yùn)動(dòng)，所以跡線必須滿足方程式=

V(x,

y,

z)2、煙線的意義煙線(Streak

line)是指在某一固定時(shí)刻，

通過(guò)某一固定點(diǎn)的所有流體質(zhì)點(diǎn)形成的曲線，如圖1-10(b)所示。例如噴氣飛機(jī)在天空留下的飛行云，就是在同一時(shí)刻，流經(jīng)噴口的空氣流動(dòng)分子所形成的煙線。因?yàn)闊熅€是某一瞬間將所有曾經(jīng)通過(guò)空間中某一特定位置的流體質(zhì)點(diǎn)連接成的軌跡，所以通過(guò)跡線方程式=V(x,y,z)并結(jié)合當(dāng)時(shí)的初始條件求出煙線方程式t

=Tx

=

x0y

=

y0

初始值條件求出煙線方程式1.7

跡線、煙線與流線3、流線的意義流線

(Stream

line)

是指在給定時(shí)刻與流體質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)速度向量相切的各點(diǎn)形成的曲線

，如圖1-10(c)所示。由于在流線上每一點(diǎn)的速度向量都在該點(diǎn)與流線相切

，因此使用流線可以清楚dx

dy

dzu

v

w圖1-11流線與流速關(guān)系地表達(dá)速度的方向，如圖1-11所示。對(duì)于三維流場(chǎng)流線，流線必須滿足方程式

=

=

；對(duì)于二維流場(chǎng)，流線必須滿足=

的關(guān)系式dx

dyu

v1.7

跡線、煙線與流線3、流線的意義一般而言，流場(chǎng)內(nèi)流線不會(huì)彼此相交，如果有兩條