空氣動力學(xué)基礎(chǔ)27157

1、Folie1Folie1Folie1空氣動力學(xué)基礎(chǔ)和飛行原理 緒論Folie31、必須按時聽課，上課認真聽講2、堅持考勤制度，有事必須請假3、對缺課1/3的同學(xué)不得參加考試4、按時獨立完成作業(yè)5、平時成績（作業(yè)和出勤）占20%6、兩次測驗占20%7、期末考試占60%基本要求Folie4一、物質(zhì)形態(tài)與流體力學(xué)定義二、空氣動力學(xué)的研究對象三、空氣動力學(xué)的發(fā)展進程簡介四、空氣動力學(xué)的分類五、空氣動力學(xué)的研究方法六、量綱與單位的概念緒論Folie5 物質(zhì)存在的三種狀態(tài)： 固態(tài)-相對應(yīng)的為固體 液態(tài)-相對應(yīng)的為液體 氣態(tài)-相對應(yīng)的為氣體一一 、物質(zhì)形態(tài)與流體力學(xué)定義 由物質(zhì)內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)、分子熱運動、分子

2、之間的作用力決定的。Folie6固體-具有固定的形狀和體積。在靜止狀態(tài)下，可以承受拉力、壓力和剪切力。Folie7液體-具有固定的體積，無固定的形狀。在靜止狀態(tài)下，只能承受壓力，幾乎不能承受拉力和剪切力。Folie8氣體-無固定的體積，也無固定的形狀。在靜止狀態(tài)下，只能承受壓力，幾乎不能承受拉力和剪切力。Folie9固體力學(xué)-研究固體處于平衡和機械運動規(guī)律及其應(yīng)用的 學(xué)科。流體力學(xué)-研究流體處于平衡和機械運動規(guī)律及其應(yīng)用的 學(xué)科。 流體-液體和氣體的統(tǒng)稱（具有的特點是易流動性, 在靜止狀態(tài)下不能承受剪力。）力學(xué)-研究物體處于平衡和機械運動規(guī)律及其應(yīng)用的 學(xué)科稱為力學(xué)。Folie10空氣動力學(xué)-

3、研究空氣處于平衡和機械運動規(guī)律及其應(yīng)用的學(xué)科。空氣動力學(xué)是流體力學(xué)的一個分支，它是從流體力學(xué)發(fā)展而來?？諝鈩恿W(xué)是物理學(xué)的一個分支。Folie11相對飛行原理（空氣動力學(xué)實驗原理）當飛機以速度v在平靜的空氣中飛行時，作用在飛機上的空氣動力與遠方空氣以速度v流過靜止不動的飛機時所產(chǎn)生的空氣動力完全相同。二、二、空氣動力學(xué)的研究對象Folie12相對飛行原理，為空氣動力學(xué)的研究提供了便利。人們在實驗研究時，可以將飛行器模型固定不動，人工制造直勻氣流流過模型，以便觀察流動現(xiàn)象，測量模型受到的空氣動力，進行試驗空氣動力學(xué)研究。Folie13在理論上，對飛行器空氣繞流現(xiàn)象和受力情況進行分析研究時，可用固

4、接在飛行器上的觀察者所看到的繞流圖畫進行研究，只要前方氣流速度V是常數(shù)，空氣流過物體的繞流圖畫就不隨時間變化。Folie14風洞風洞Folie13 X-48B翼身融合體飛機，來自美國宇航局和波音公司鬼怪工程部共同合作研發(fā)的新一代翼身融合體飛機，這種戰(zhàn)斗機更實用，能產(chǎn)生更大的升力、更小的阻力，油耗更低，有望成為未來更節(jié)能、更安靜的飛機的代表。 Folie15機翼繞流流場機翼繞流流場Folie15機翼繞流流場機翼繞流流場當氣流迎面流過機翼的時候，機翼同氣流方向平行，原來是一股氣流，由于機翼的插入，被分成上下兩股。在翼剖面前緣附近，氣流開始分為上、下兩股的那一點的氣流速度為零，其靜壓值達到最大。這個

5、點在空氣動力學(xué)上稱為駐點。對于上下弧面不對稱的翼剖面來說，這個駐點通常是在翼剖面的下表面。Folie15機翼繞流流場機翼繞流流場在駐點處氣流分差后，上面的那股氣流不得不想要繞過前緣，所以它需要以更快的速度流過上表面。由于機翼上表面拱起，使上方部那股氣流的通道變窄，機翼上方的氣流截面 要比機翼前方的氣流截面小，流線比較密，所以機翼上方的氣流速度大于機翼前方的氣流速度。Folie15機翼繞流流場機翼繞流流場而機翼下方是平的，機翼下方的流線疏密程度幾乎沒有變化，所以機翼下方那個的氣流速度和機翼前方基本相同。通過機翼以后，氣流在后緣又重新合成一股。根據(jù)氣流連續(xù)性原理和伯努利定理可以得知，機翼下表面受到

6、向上的壓力比機翼上表面受到向下的壓力要大，這個壓力差就是機翼產(chǎn)生的升力。 Folie17亞音速情況下飛行的戰(zhàn)斗機Folie15音速是指聲音在空氣中傳播的速度。高度不同，音速也就不同。在海平面，音速約為1225公里/小時。在航空上，通常用M(即馬赫)來表示音速，M=1即為音速的1倍；M=2即為音速的2倍。Folie15飛行器以馬赫數(shù)小于0.8的速度在大氣中的飛行是亞音速飛行。 飛行器在作亞音速飛行時無激波產(chǎn)生，這時影響其空氣動力特性的主要因素是粘性和氣流分離。亞音速飛機的最大飛行速度一般以臨界馬赫數(shù)為限。Folie18跨音速情況下飛行的戰(zhàn)斗機Folie15當飛機飛行速度接近音速時，周圍的流動態(tài)會

7、發(fā)生變化，出現(xiàn)激波或其它效應(yīng)，會使機身抖動，超音速戰(zhàn)斗機突破音障瞬間、失控，甚至空中解體，并且還可產(chǎn)生極大的阻力，使難以突破M=1的速度。人們把這種現(xiàn)象稱之為音障。Folie15超音速飛機進行亞音速飛行時，除某些動作受到性能限制外，主要是為了省油，并可用于起飛、爬升、巡航、待機、下滑返航、著陸、編隊和某些特技飛行等。Folie18跨音速情況下飛行的戰(zhàn)斗機Folie18跨音速情況下飛行的戰(zhàn)斗機Folie18跨音速情況下飛行的戰(zhàn)斗機1、公元前的認識（浮力定理）2、公元以后至17世紀的定性描述3、17-20世紀理想流體力學(xué)的發(fā)展4、19-20世紀粘性流體力學(xué)的發(fā)展5、空氣動力學(xué)的發(fā)展三三 、空氣動力

8、學(xué)的發(fā)展進程簡介在中國的春秋戰(zhàn)國時期（公元前770-221）,中國先農(nóng)開始興建大型水利工程，包括灌溉工程、運河工程和堤防工程。當時比較大的灌溉工程有：芍陂(楚相孫叔敖)、都江堰和鄭國渠。其中，芍陂和都江堰歷經(jīng)兩千多年，至今仍再發(fā)揮作用。當時對水流運動特性已有足夠的認識。1、公元前的認識（浮力定理）芍坡芍坡鄭國渠鄭國渠都江堰都江堰古希臘學(xué)者，阿基米德在數(shù)學(xué)、物理學(xué)、天文學(xué)等方面做出了重要貢獻。主要論著：論平板的平衡、論浮體；阿基米德是整個歷史上最偉大的數(shù)學(xué)家之一，后人對阿基米德給以極高的評價，常把他和牛頓、高斯并列為有史以來三個貢獻最大的數(shù)學(xué)家。在流體力學(xué)方面，他發(fā)現(xiàn)了水的浮力原理。阿基米德簡介

9、阿基米德簡介阿基米德的名著論浮體是公元前250年最早的關(guān)于流體力學(xué)的著作。流體靜力學(xué)的基本原理（水的浮力原理），即物體在液體中減輕的重量，等于排去液體的重量，后來以“阿基米德原理”著稱于世，并由此開創(chuàng)了流體靜力學(xué)的研究。阿基米德簡介阿基米德簡介 Eddas文學(xué)集紀錄了一個源于五世紀北歐的古代神話故事。故事說的是有一個以制造兵器為職業(yè)的鐵匠Wayland，他制造了一套可以穿在身上的飛行翅膀。2、公元以后至17世紀的定性描述 根據(jù)傳說，Wayland制成他的第一套飛行翅膀后，就開始同他的兄弟Egil一同進行實驗，也就是作一次試飛。他兄弟問他，“我應(yīng)當怎么辦呢？我在這方面一點也不懂”。Wayland

10、緩慢地強調(diào)說道：“頂著風飛，你就容易升高向上，以后，當你下降的時候，要順著風飛揚”。Egil按照他的話穿好羽毛衣裳，并且立刻高飛在空中，迅速得象鳥一樣。李白：大鵬一日同風起，扶搖直上九萬里。假令風歇時下來，猶能簸卻滄溟水。世人見我恒殊調(diào)，聞余大言皆冷笑。宣父猶能畏后生，丈夫未可輕年少。他是一位名律師和農(nóng)家女子的私生子，小時侯雖然沒有受過正式的教育，主要在家隨父親讀書自學(xué)，但從小勤奮學(xué)習(xí)，才智過人，思維敏捷，很快在許多方面做出了令人驚嘆的成績。達.芬奇:意大利文藝復(fù)興時期的科學(xué)和藝術(shù)全才他是一位思想深邃，學(xué)識淵博，多才多藝的畫家、寓言家、雕塑家、發(fā)明家、哲學(xué)家、音樂家、醫(yī)學(xué)家、生物學(xué)家、地理學(xué)家

11、、建筑工程師和軍事工程師。他是一位天才，他一面熱心于藝術(shù)創(chuàng)和理論研究，研究如何用線條與立體造型去表現(xiàn)形體的各種問題；另一方面他也同時研究自然科學(xué)。達.芬奇:意大利文藝復(fù)興時期的科學(xué)和藝術(shù)全才LeonardoDaVinci3、17-20世紀理想流體力學(xué)的發(fā)展牛頓:英國著名的數(shù)學(xué)家和物理學(xué)家, 1686年完成“自然哲學(xué)之數(shù)學(xué)原理”，提出了流體運動的內(nèi)摩擦定律。牛頓是人類史上最偉大的天才：在數(shù)學(xué)上，發(fā)明了微積分；在天文學(xué)上，發(fā)現(xiàn)了萬有引力定律，開辟了天文學(xué)的新紀元；在力學(xué)上，總結(jié)了三大運動定律，建立了牛頓力學(xué)體系；在光學(xué)上，發(fā)現(xiàn)太陽光的光譜，發(fā)明了反射式望遠鏡。萊布尼茨:德國著名的哲學(xué)家和數(shù)學(xué)家,在

12、許多領(lǐng)域做出不同凡響的成就。在數(shù)學(xué)方面最大的成就是發(fā)明了微積分，今天微積分中使用的符號是萊布尼慈提出的。后來為了與牛頓爭發(fā)明權(quán)問題，他們之間進行了一場著名的爭吵。萊布尼慈自定發(fā)明權(quán)時間1674年，牛頓1665-1666年。這場爭論使英國與歐洲大陸之間數(shù)學(xué)交流中斷，嚴重影響了英國數(shù)學(xué)的發(fā)展。微積分問世后，流體成為數(shù)學(xué)家們應(yīng)用微積分的最佳領(lǐng)域。1738年伯努利出版了“流體力學(xué)”一書，將微積分方法引進流體力學(xué)中，建立了分析流體力學(xué)的理論體系，提出無粘流動流速和壓強的關(guān)系式，即伯努利能量方程。伯努利:瑞士物理學(xué)家、數(shù)學(xué)家、醫(yī)學(xué)家。1700年2月8日生于荷蘭格羅寧根。著名的伯努利數(shù)學(xué)家族中最杰出的一位。

13、在25歲時就應(yīng)聘為圣彼得堡科學(xué)院的數(shù)學(xué)院士。8年后回到瑞士的巴塞爾，先任解剖學(xué)教授，后任動力學(xué)教授，1750年成為物理學(xué)教授。在17251749年間，伯努利曾十次榮獲法國科學(xué)院的年度獎。1755年瑞士數(shù)學(xué)家歐拉建立了理想不可壓流體運動的微分方程組（歐拉方程）。六年后，拉格朗日引入流函數(shù)的概念，建立了理想流體無旋運動所滿足的動力學(xué)條件，提出求解這類運動的復(fù)位勢法。歐拉:瑞士數(shù)學(xué)家.歐拉是世界史上最偉大的數(shù)學(xué)家之一.他從19歲就開始著書，直到76歲高齡仍繼續(xù)寫作.幾乎每個數(shù)學(xué)領(lǐng)域，都可以看到歐拉的名字.如初等幾何的歐拉線、多面體的歐拉定理、立體解析幾何的歐拉變換公式、四次方程的歐拉解法、數(shù)論中的歐

14、拉函數(shù)、微分方程的歐拉方程、級數(shù)論中歐拉常數(shù)、變分學(xué)的歐拉方程、復(fù)變函數(shù)論歐拉公式等。達朗貝爾:法國著名的物理學(xué)家、數(shù)學(xué)家和天文學(xué)家，一生研究了大量課題，完成了涉及多個科學(xué)領(lǐng)域的論文和專著.1743年在動力學(xué)一書中，達朗貝爾提出了達朗貝爾原理，把動力學(xué)問題轉(zhuǎn)化為靜力學(xué)問題處理，還可以用平面靜力的方法分析剛體的平面運動，這一原理使一些力學(xué)問題的分析簡單化，而且為分析力學(xué)的創(chuàng)立打下了基礎(chǔ)。1783年10月29日，這位為人們留下了無限光明的科學(xué)巨星悄然遠逝。這一天，偉大的達朗貝爾永遠的離開了世界，永遠的離開了他為之奉獻終生的科學(xué)。他的很多研究成果記載于宇宙體系的幾個要點研究中。達朗貝爾生前為人類的進

15、步與文明做出了巨大的貢獻，也得到了許多榮譽。但在他臨終時，卻因教會的阻撓沒有舉行任何形式的葬禮。4、19-20世紀粘性流體力學(xué)的發(fā)展19世紀人們開始認識粘性流體動力學(xué)的基本問題。1826年法國工程師納維將歐拉流體運動方程加以推廣，加入了粘性項，導(dǎo)出了粘性流體運動方程。4、19-20世紀粘性流體力學(xué)的發(fā)展1845年愛爾蘭數(shù)學(xué)家斯托克斯（18191903)在劍橋大學(xué)從另外不同的出發(fā)點，也導(dǎo)出了粘性流體運動方程?，F(xiàn)在粘性流體運動方程稱為納維-斯托克斯方程或N-S方程。4、19-20世紀粘性流體力學(xué)的發(fā)展英國工程師兼物理學(xué)家雷諾在1883年試驗粘性流體在小直徑圓管流動時，發(fā)現(xiàn)實際流動有兩種流態(tài)，分別稱

16、為層流和湍流，相應(yīng)的阻力規(guī)律也不同，決定流態(tài)的是一個復(fù)合參數(shù)，該參數(shù)此后被稱為雷諾數(shù)。1904年普朗特提出了邊界層理論。他認識到雖然所有的實際流體都是有粘性的，但，離開物體表面很遠的地方粘性力基本上不起作用，只在物面附近，一層很薄的流體(稱邊界層)內(nèi)，粘性力才是重要的，才是必須考慮的。這樣就可以把整個流動分成兩部分來處理：遠離物面的大部分地區(qū)可以用無粘的理論作計算，而貼近物面的一層流體的流動需要作粘流計算。普朗特:1875年2月4日出生于德國。從小對物理學(xué)、機械和儀器特別感興趣。1904年普朗特在德國海德爾堡第三次國際數(shù)學(xué)年會上發(fā)表了著名的關(guān)于邊界層概念的論文，從此普朗特成為流體力學(xué)界的知名學(xué)

17、者。普朗特畢生在流體力學(xué)和空氣動力學(xué)中的貢獻是令人矚目的，被認為是現(xiàn)代流體力學(xué)和空氣動力學(xué)之父。5、空氣動力學(xué)的發(fā)展20世紀2030年代，空氣動力學(xué)的理論和實驗得到迅速發(fā)展，所建造的許多低速風洞，對各種飛行器研制進行了大量的實驗，從而很大程度上改進了飛機的氣動外形，實現(xiàn)了飛機動力增加不大的情況下，使飛機的飛行速度從50m/s增大到170m/s。5、空氣動力學(xué)的發(fā)展20世紀創(chuàng)建了空氣動力學(xué)完整的科學(xué)體系，并得到了蓬勃的發(fā)展。美國萊特兄弟是兩個既有實踐經(jīng)驗又有理論知識，且富有想象力和遠見的工程師，1903年12月27日，奧維爾萊特駕駛他們設(shè)計制造“飛行者一號”首次試飛成功，這是人類歷史上第一架有動

18、力、載人、持續(xù)、穩(wěn)定、可操縱的飛行器。從此開創(chuàng)了飛行的新紀元。其后，飛機的發(fā)展推動了空氣動力學(xué)的迅速發(fā)展。5、空氣動力學(xué)的發(fā)展5、空氣動力學(xué)的發(fā)展20世紀3040年代，建造了一批超音速風洞，使飛機在40年代末突破了“音障”，50年代隨后突破了“熱障”，實現(xiàn)了超音速飛行和人造衛(wèi)星。20世紀50年代以后，電子計算機的出現(xiàn)，使計算空氣動力學(xué)得到迅速的發(fā)展，理論、實驗、計算成為飛行器設(shè)計必不可少的途徑。儒可夫斯基:俄國數(shù)學(xué)家和空氣動力學(xué)家，科學(xué)院院士。1886年起歷任莫斯科大學(xué)和莫斯科高等技術(shù)學(xué)校教授，直至1921去世，一直在這兩所學(xué)校工作。他一生有170多部著作，其中60多部是論述空氣動力學(xué)和飛行器

19、的，是實驗和理論空氣動力學(xué)的創(chuàng)始人。1902年創(chuàng)建了莫斯科大學(xué)空氣動力學(xué)實驗室。馮.卡門:超聲速時代之父，美國空軍科技奠基石，現(xiàn)代空氣動力學(xué)家。1908在德國哥廷根大學(xué)獲得博士學(xué)位，師從普朗特教授。1926年移居美國，負責加州理工大學(xué)風洞設(shè)計工作，提出卡門渦街理論；1935年，提出超聲速阻力原則；1938年提出邊界層控制理論；1941年提出高速飛行機翼壓力分布公式。我國學(xué)者錢學(xué)森師從馮.卡門教授。波音767“鵜鶘”大型地效飛機新一代超音速客機F22戰(zhàn)斗機四四 空氣動力學(xué)的分類飛行器空氣動力學(xué)房屋、坑道通風高層建筑的風壓汽車、高速列車的阻力工業(yè)空氣動力學(xué)飛行器在大氣中飛行時的空氣動力學(xué)問題鼓風機

20、、渦輪機、風力發(fā)電機的氣動力問題空氣動力學(xué)低速空氣動力學(xué)亞音速空氣動力學(xué)跨音速空氣動力學(xué)超音速空氣動力學(xué)高速空氣動力學(xué)空氣動力學(xué)五五 空氣動力學(xué)的研究方法實驗研究的主要設(shè)備有風洞、水洞、激波管和測試儀器。此外還有自由飛實驗和高速軌道車等實驗辦法。理論研究運用基本的概念、定律和數(shù)學(xué)工具，抓住問題的主要作用因素，采用某種抽象出來的模型，作定量的分析，從而獲得規(guī)律和結(jié)果。五五 空氣動力學(xué)的研究方法數(shù)值計算通過有效的計算方法（有限基本解法、有限差分法、有限元素法等）利用計算機對實際流動的問題進行數(shù)值模擬。實驗研究、理論分析和數(shù)值計算三種方法各有利弊，相輔相成，互相促進。五五 空氣動力學(xué)的研究方法1、基本概念物理量簡稱量，表示定性區(qū)分和定量確定現(xiàn)象和物質(zhì)的一種屬性在力學(xué)系統(tǒng)中，只有三個量是獨立的，稱為基本物理量，其它物理量是導(dǎo)出物理量（可根據(jù)定義、規(guī)律、關(guān)系）在國際單位制中，人們約