北京航空航天大學(xué)飛行器空氣動(dòng)力學(xué)課件-空氣動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)

空氣動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)空氣動(dòng)力學(xué)是研究物體在氣體中運(yùn)動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的力以及氣體運(yùn)動(dòng)規(guī)律的學(xué)科。它涉及從飛機(jī)飛行到風(fēng)力渦輪機(jī)設(shè)計(jì)等諸多領(lǐng)域。課程概述課程目標(biāo)本課程旨在幫助學(xué)生掌握飛行器空氣動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)理論知識(shí)，為后續(xù)專(zhuān)業(yè)課程學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)。課程內(nèi)容涵蓋流體力學(xué)基礎(chǔ)、氣體力學(xué)基礎(chǔ)、飛行器氣動(dòng)特性以及相關(guān)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬技術(shù)等內(nèi)容。學(xué)習(xí)方法課堂講授、課后習(xí)題、實(shí)驗(yàn)操作和文獻(xiàn)閱讀相結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的應(yīng)用能力。緒論空氣動(dòng)力學(xué)是研究物體在空氣中運(yùn)動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的力的學(xué)科。它涵蓋了流體力學(xué)原理在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用，包括飛機(jī)、導(dǎo)彈、火箭等飛行器的設(shè)計(jì)和分析。流體力學(xué)基礎(chǔ)流體性質(zhì)流體是可流動(dòng)的物質(zhì)，例如空氣和水。流體具有可壓縮性和黏性。壓力壓力是指作用在流體表面上的力，單位面積上的力，是流體靜力學(xué)的重要概念。流體運(yùn)動(dòng)流體運(yùn)動(dòng)是流體力學(xué)研究的核心內(nèi)容，包括流體的速度、加速度和運(yùn)動(dòng)軌跡。流體力學(xué)定律質(zhì)量守恒定律動(dòng)量定理能量定理理想流體1無(wú)黏性理想流體沒(méi)有黏性，這意味著流體層之間沒(méi)有摩擦力。2不可壓縮理想流體密度保持不變，無(wú)論壓力如何變化。3無(wú)熱傳導(dǎo)理想流體不傳熱，這意味著流體溫度保持恒定。4流體運(yùn)動(dòng)理想流體假設(shè)簡(jiǎn)化了對(duì)流體運(yùn)動(dòng)的分析。黏性流體內(nèi)摩擦力黏性流體具有內(nèi)摩擦力，也稱(chēng)為黏性力。這種力在流體內(nèi)部不同流層之間發(fā)生。黏度黏度是描述流體抵抗剪切變形的性質(zhì)。黏度越大，流體流動(dòng)越困難，反之亦然。黏性流體模型牛頓流體和非牛頓流體是兩種常見(jiàn)的黏性流體模型，它們具有不同的黏性特性。質(zhì)量守恒定律質(zhì)量守恒定律是流體力學(xué)中的一個(gè)基本定律，它指出在一個(gè)封閉系統(tǒng)中，系統(tǒng)的總質(zhì)量保持不變。這表明質(zhì)量既不能被創(chuàng)造也不能被毀滅，它只能從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式。在流體動(dòng)力學(xué)中，質(zhì)量守恒定律通常表示為連續(xù)性方程。連續(xù)性方程說(shuō)明了流體在流動(dòng)過(guò)程中，流體密度和流速之間的關(guān)系。它是一個(gè)微分方程，它可以用來(lái)描述流體的運(yùn)動(dòng)和變化。動(dòng)量定理動(dòng)量定理牛頓第二運(yùn)動(dòng)定律流體動(dòng)量變化率作用于流體的外力控制體積流體運(yùn)動(dòng)動(dòng)量定理是流體力學(xué)中一個(gè)重要的基本定理，它描述了流體動(dòng)量的變化率與作用于流體的外力之間的關(guān)系。動(dòng)量定理的應(yīng)用廣泛，例如，用于分析飛機(jī)升力、火箭推進(jìn)力等。能量定理能量定理描述了流體系統(tǒng)中能量守恒原理。該定理指出，流體系統(tǒng)總能量保持不變，能量形式可以相互轉(zhuǎn)換。能量定理可用于分析流體系統(tǒng)中的能量變化，如流體流動(dòng)過(guò)程中的能量損失或增益。伯努利方程伯努利方程是流體力學(xué)中的一個(gè)重要方程，描述了理想流體在穩(wěn)定流動(dòng)狀態(tài)下，流體能量守恒的定律。該方程將流體的壓力、速度和高度聯(lián)系在一起，是分析和計(jì)算流體運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)。1/2動(dòng)能反映流體運(yùn)動(dòng)速度的能量ρgh勢(shì)能反映流體位置高度的能量P壓力能反映流體壓力的能量無(wú)黏性流場(chǎng)分析歐拉方程無(wú)黏性流場(chǎng)分析通常基于歐拉方程，該方程描述了流體運(yùn)動(dòng)的質(zhì)量、動(dòng)量和能量守恒。簡(jiǎn)化假設(shè)歐拉方程假設(shè)流體不可壓縮、無(wú)黏性，并忽略了熱傳導(dǎo)和粘性耗散等效應(yīng)，簡(jiǎn)化了流場(chǎng)分析。流線(xiàn)分析通過(guò)分析流線(xiàn)和流函數(shù)，可以了解流體運(yùn)動(dòng)軌跡和速度分布，并預(yù)測(cè)流體運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)。應(yīng)用領(lǐng)域無(wú)黏性流場(chǎng)分析廣泛應(yīng)用于航空航天、船舶和機(jī)械工程等領(lǐng)域，用于優(yōu)化飛行器氣動(dòng)外形、設(shè)計(jì)水翼和葉片等。層流與湍流層流流體粒子沿平滑路徑流動(dòng)。流線(xiàn)平行且不交叉。低速流動(dòng)通常表現(xiàn)為層流。湍流流體粒子呈不規(guī)則、混亂的運(yùn)動(dòng)。流線(xiàn)交叉，形成漩渦和亂流。高速流動(dòng)通常表現(xiàn)為湍流。邊界層粘性效應(yīng)邊界層是指流體在物體表面附近受到粘性影響的區(qū)域。流體運(yùn)動(dòng)速度從物體表面開(kāi)始逐漸增大。層流邊界層邊界層可以分為層流邊界層和湍流邊界層。層流邊界層中流體層流運(yùn)動(dòng)，流動(dòng)穩(wěn)定、平滑。湍流邊界層湍流邊界層中流體以不規(guī)則、混亂的方式流動(dòng)。湍流邊界層具有更高的摩擦阻力，對(duì)飛行器性能影響較大。氣體力學(xué)基礎(chǔ)氣體力學(xué)是空氣動(dòng)力學(xué)的重要組成部分，研究空氣與物體相互作用產(chǎn)生的力學(xué)現(xiàn)象。氣體力學(xué)側(cè)重于探討空氣作為流體，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中與物體表面相互作用產(chǎn)生的力學(xué)現(xiàn)象，例如升力、阻力、以及飛行器在不同飛行狀態(tài)下的氣動(dòng)特性。聲速與超聲速聲速是指聲音在介質(zhì)中傳播的速度，與介質(zhì)的性質(zhì)和溫度有關(guān)。超聲速是指物體運(yùn)動(dòng)速度超過(guò)聲速，其速度大于1馬赫。超聲速飛行器的運(yùn)動(dòng)速度比聲速快，其氣動(dòng)特性與亞聲速飛行器有很大區(qū)別。氣體動(dòng)力學(xué)方程控制方程描述連續(xù)性方程質(zhì)量守恒定律動(dòng)量方程牛頓第二定律能量方程能量守恒定律氣體動(dòng)力學(xué)方程組是描述氣體流動(dòng)狀態(tài)的數(shù)學(xué)模型。該方程組由連續(xù)性方程、動(dòng)量方程和能量方程組成，分別反映了質(zhì)量、動(dòng)量和能量的守恒。高超聲速流場(chǎng)高馬赫數(shù)高超聲速流場(chǎng)指的是馬赫數(shù)大于5的流場(chǎng)，其特點(diǎn)是流體速度極高，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)聲音的速度。氣體壓縮由于速度極高，流體壓縮性效應(yīng)變得顯著，導(dǎo)致空氣密度發(fā)生急劇變化，對(duì)飛行器的氣動(dòng)特性產(chǎn)生重大影響。高溫環(huán)境高速飛行會(huì)產(chǎn)生劇烈摩擦，導(dǎo)致空氣溫度急劇升高，形成高溫氣體，對(duì)飛行器材料和結(jié)構(gòu)帶來(lái)嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。復(fù)雜現(xiàn)象高超聲速流場(chǎng)中存在一系列復(fù)雜的物理現(xiàn)象，例如激波、邊界層分離、化學(xué)反應(yīng)等，需要深入研究和理解。沖擊波定義空氣動(dòng)力學(xué)中，當(dāng)物體在空氣中以超聲速飛行時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一種劇烈的壓縮波，稱(chēng)為沖擊波。特性沖擊波是一種非線(xiàn)性現(xiàn)象，具有較強(qiáng)的能量和密度變化，會(huì)對(duì)物體產(chǎn)生顯著的影響。應(yīng)用沖擊波在航空航天、國(guó)防、工業(yè)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，例如超音速飛行器設(shè)計(jì)、超聲波加工等。釋放激波激波釋放當(dāng)超聲速物體飛行時(shí)，激波會(huì)在物體周?chē)纬?。這些激波是由物體移動(dòng)產(chǎn)生的壓力波引起的。激波的形成當(dāng)物體速度超過(guò)聲速時(shí)，它會(huì)產(chǎn)生一種壓縮波，這種壓縮波被稱(chēng)為激波。激波的形成會(huì)導(dǎo)致空氣溫度和壓力的急劇變化。膨脹波11.膨脹波概念膨脹波是流體在經(jīng)過(guò)一個(gè)膨脹角時(shí)，壓強(qiáng)降低，速度升高的現(xiàn)象。22.膨脹波特點(diǎn)膨脹波通常發(fā)生在物體尖銳的邊緣或角部，例如飛機(jī)機(jī)翼的尖端。33.膨脹波類(lèi)型膨脹波分為中心膨脹波和非中心膨脹波，中心膨脹波通常發(fā)生在球形或圓柱形物體周?chē)?4.膨脹波應(yīng)用膨脹波在航空航天、流體力學(xué)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，例如超音速飛行器的設(shè)計(jì)和分析。流量控制流量控制流量控制是飛行器氣動(dòng)設(shè)計(jì)中重要環(huán)節(jié)。通過(guò)調(diào)節(jié)飛行器表面形狀或其他控制裝置，改變氣流流量分布，從而實(shí)現(xiàn)控制飛行姿態(tài)、速度和軌跡等目標(biāo)。翼型控制改變機(jī)翼表面形狀，例如襟翼、副翼等，可以控制機(jī)翼的升力、阻力，并實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向等操作。噴氣式飛機(jī)噴氣式飛機(jī)通過(guò)調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)推力，改變氣流速度和流量，從而控制飛行姿態(tài)和速度。其他控制其他控制方式包括可控襟翼、可控渦流發(fā)生器等，利用氣流控制技術(shù)優(yōu)化飛行器性能。氣體動(dòng)力學(xué)應(yīng)用氣體動(dòng)力學(xué)原理廣泛應(yīng)用于航空航天、機(jī)械制造、能源動(dòng)力等領(lǐng)域，其應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)展。氣體動(dòng)力學(xué)研究成果在推動(dòng)科技進(jìn)步和社會(huì)發(fā)展中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。飛行器概述飛行器是利用空氣動(dòng)力原理在空中飛行的裝置。常見(jiàn)的飛行器包括飛機(jī)、直升機(jī)、飛艇等。飛行器是人類(lèi)科技的重要成就，對(duì)人類(lèi)社會(huì)發(fā)展起著重要作用。飛行器設(shè)計(jì)和制造涉及多學(xué)科交叉，包括空氣動(dòng)力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、材料學(xué)、控制理論等。飛行器是復(fù)雜的系統(tǒng)，需要綜合考慮多個(gè)因素才能實(shí)現(xiàn)安全、高效飛行。氣動(dòng)力作用升力升力是指空氣對(duì)飛行器的垂直向上力，使飛行器能夠克服重力而升空。阻力阻力是指空氣對(duì)飛行器的水平方向上的力，阻礙飛行器前進(jìn)。側(cè)向力側(cè)向力是指空氣對(duì)飛行器的垂直于升力和阻力的力，主要影響飛行器的橫向穩(wěn)定性。力矩力矩是指空氣對(duì)飛行器產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)力，影響飛行器的姿態(tài)控制。升力產(chǎn)生機(jī)理空氣動(dòng)力學(xué)原理當(dāng)機(jī)翼運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于機(jī)翼上表面空氣流速快，下表面空氣流速慢，導(dǎo)致上下表面壓強(qiáng)差，形成壓力差，從而產(chǎn)生向上升力。翼型設(shè)計(jì)機(jī)翼上表面彎曲，下表面平直，導(dǎo)致上表面空氣流過(guò)路徑更長(zhǎng)，速度更快，下表面空氣流過(guò)路徑更短，速度更慢，產(chǎn)生壓力差。迎角影響機(jī)翼迎角增大時(shí)，上表面空氣流速加快，壓力差增大，升力增大；迎角過(guò)大，則會(huì)產(chǎn)生失速現(xiàn)象，升力急劇下降。阻力產(chǎn)生機(jī)理11.摩擦阻力由于物體表面與流體之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的摩擦力，與物體表面積和流體黏性有關(guān)。22.形狀阻力由于物體形狀引起的流體繞流阻力，與物體形狀和流體密度有關(guān)。33.誘導(dǎo)阻力由于機(jī)翼產(chǎn)生升力而引起的阻力，與機(jī)翼展弦比和升力系數(shù)有關(guān)。44.波阻力高速飛行時(shí)，由于機(jī)身周?chē)a(chǎn)生壓縮波而引起的阻力，與飛行速度和物體形狀有關(guān)。飛行器氣動(dòng)特性氣動(dòng)特性描述升力系數(shù)衡量飛行器升力大小的無(wú)量綱系數(shù)阻力系數(shù)衡量飛行器阻力大小的無(wú)量綱系數(shù)升阻比反映飛行器升力和阻力之間的關(guān)系俯仰力矩系數(shù)衡量飛行器繞橫軸的力矩大小的無(wú)量綱系數(shù)滾轉(zhuǎn)力矩系數(shù)衡量飛行器繞縱軸的力矩大小的無(wú)量綱系數(shù)偏航力矩系數(shù)衡量飛行器繞垂軸的力矩大小的無(wú)量綱系數(shù)翼型氣動(dòng)設(shè)計(jì)翼型氣動(dòng)設(shè)計(jì)是飛行器設(shè)計(jì)中至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，其目標(biāo)是優(yōu)化翼型形狀，以實(shí)現(xiàn)最佳的氣動(dòng)性能，例如升力和阻力的平衡。設(shè)計(jì)過(guò)程通常包括多個(gè)階段，從初步概念設(shè)計(jì)到詳細(xì)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，最終實(shí)現(xiàn)符合飛行器性能要求的翼型。1翼型概念設(shè)計(jì)根據(jù)飛行器任務(wù)需求，確定基本翼型類(lèi)型，例如對(duì)稱(chēng)翼型或非對(duì)稱(chēng)翼型。2翼型參數(shù)優(yōu)化通過(guò)調(diào)整翼型參數(shù)，例如弦長(zhǎng)、厚度、彎度，優(yōu)化翼型的氣動(dòng)性能。3翼型性能評(píng)估采用計(jì)算流體力學(xué)軟件或風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)方法評(píng)估翼型的氣動(dòng)性能。翼型氣動(dòng)設(shè)計(jì)涉及多種學(xué)科，例如流體力學(xué)、空氣動(dòng)力學(xué)、材料科學(xué)等，需要運(yùn)用先進(jìn)的設(shè)計(jì)軟件和實(shí)驗(yàn)方法。實(shí)驗(yàn)研究方法風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)風(fēng)洞是模擬飛行器周?chē)鷼饬鳝h(huán)境的實(shí)驗(yàn)裝置。通過(guò)測(cè)量模型表面的壓力、速度和力等參數(shù)，可以獲得飛行器的空氣動(dòng)力特性。水洞實(shí)驗(yàn)水洞實(shí)驗(yàn)利用水作為介質(zhì)，模擬飛行器在水中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。可以研究飛行器的阻力、升力、穩(wěn)定性等特性，