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1、空气动力学 (一) 主讲:邓建平,空气动力学-1,Tel:13518308643 E-mail:djp_,课程目的,本课程是工程力学专业的一门专业基础课。课程内容包括低速空气动力学和可压缩空气动力学(气体动力学)两大部分。课程目的是通过学习掌握空气动力学的基本概念、基本理论，以及解决空气动力学问题的基本方法和分析手段。为后续专业课程(风工程、飞行力学)的学习和/或将来从事相关专业技术工作奠定基础。,基本要求,（1）了解空气动力学发展简史、学科分类、应用范围；熟悉流体运动所遵循的基本物理准则和数学描述的方法。 （2）掌握不可压流连续方程、动量方程的推导及应用；理解不可压无粘流的叠加性原理；掌握薄
2、翼理论的原理和应用。 （3）理解边界层的基本概念，掌握平面不可压层流边界层微分方程及其解法。 （4）掌握高速可压流的基本概念、基本定律和相关的基本关系式（等熵流、膨胀波、正激波、斜激波）。熟悉有关温度、密度、压强和激波参数的计算方法。 （5）了解超声速风洞和高超声速风洞的构成和运行原理；了解风洞实验的基本方法。,课程内容,（一）流体属性和流体静力学 （二）流体运动学和动力学基础 （三）低速平面位流 （四）边界层流动 （五）低速翼型 （六）高速一维定常流 （七）膨胀波与激波 （八）超声速风洞,教材： 空气动力学，钱翼稷，北京航空航天大学出版社，2006。,参考资料: （1）空气动力学基础，作者：
3、徐华舫，北京航空学院出版社，1987。 （2）空气动力学，作者：陈再新等，航空工业出版社，1993。,考核方法： 平时成绩(作业与考勤):30% 期末考试(闭卷):70%,考试内容分为基本知识考核和能力考核两部分。基本知识考核题覆盖全部课程内容，题型分填空题、判断题和选择题三类；能力考核题的难度和习题相当，内容包括可压流和不可压流连续性方程、伯努利方程、动量方程和能量方程的应用；高速一维定常流；激波和膨胀波关系式及其应用等。,绪论,空气动力学是研究物体和空气之间有相对运动时（物体在空气中运动或物体不动而空气流过物体时），空气的运动及作用力（空气内部的和空气对物体的）所服从的规律。,空气动力学是
4、随着航空事业的发展而发展起来的。传统上所说的空气动力学，指的都是飞行器（飞机）的空气动力学。,空气动力学导源于流体力学。流体力学研究流体中的作用力和流体的运动规律，分为流体静力学和流体动力学。空气动力学则是将流体动力学应用于研究飞行器运动上的进一步发展。,流体力学 Fluid Mechanics,莱特兄第（1903）制作了200多个不同形状的机翼模型，进行了上千次的风洞实验。通过大量的试验，他们发现了增加升力的原理，认识到飞机的平衡、上升和转弯可通过偏转舵面来实现，还发现了保持飞机横侧稳定的方法，从而基本解决了飞机的操纵稳定问题，奠定了飞机飞行原理的理论基础。,除了飞行器空气动力学之外，现代工
5、业有许多用到气流来工作或与气流打交道的场合。这些方面也要用到流体动力学的原理来对问题作深入的研究。这就形成了另一门空气动力学工业空气动力学。,内流空气动力学,1940年，美国塔科马（Tacoma）悬索桥在风速不到20m/s（8级风）的作用下，发生振动而毁坏， 德国著名空气动力学家冯卡门亲自参加了塔科马桥风毁原因的分析研究工作，在风洞中对桥梁模型进行抗风稳定性试验研究，并重新建造了新的塔科马大桥。 这一事件对后来风工程的研究起了很大的推动作用，人们常把它作为风工程历史发展的起点。,风工程,本课程主要介绍低速不可压流、高速可压流和边界层流动等方面的基础知识。目的是掌握空气动力学基本概念、基本理论，
6、以及解决空气动力学问题的基本方法和分析手段。为飞行力学和风工程等专业课程的学习奠定基础。,稀薄气体动力学,高超声速空气动力学,第1章 流体属性和流体静力学,1.1 连续介质的概念 1.2 流体内部一点处的压强 1.3 气体的流动性 1.4 气体的压缩性与弹性 1.5 流体的粘性 1.6 作用在流体微团上的力 1.7 流体的静平衡方程 1.8 标准大气,1.1 连续介质的概念,流体力学中质点的定义,流体的连续介质假设,密度的定义,P点的介质密度,我们在连续介质的前提下所说的某一点的密度，并不是在 无限缩小时的情况，而是指这个尺寸从数量级上说，应该大于分子的平均自由程，但相对于飞机的尺寸来说，可以
7、把它当作一个几何点来看待。,1.2 流体内部一点处的压强,X方向,同理：,上述结论同样适应无粘流体，无论流体是静止还是运动。,1.3 流体的流动性,1.4 气体的压缩性与弹性,气体的弹性决定于它的密度和声速,1.5 流体的粘性,成正比,牛顿粘性定律,或更简单的指数率公式:,习题1-2,解,上盘微段圆环dr的转矩为：,课堂练习,1.6 作用在流体微团上的力,按物理意义划分：惯性力、重力、弹性力、摩擦力等,按作用方式划分：表面力和质量力（彻体力、体积力）,1.7 流体的静平衡方程,表面力:,在X方向:,如果3个彻体力分量 符合下列关系式,那么等式右侧也是某个函数的全微分，记该函数为,于是，平衡微分
8、方程可以改写成：,积分：,称为彻体力的位函数(势函数),思考：彻体力只有重力的情况下，其位函数的表达式是什么？ （假设Z轴垂直向上）,答案：,彻体力与等压面正交的实例,边界条件:,自由液面,等压面,欧拉静平衡方程：,例题求解匀加速水平运动容器自由液面方程,解,A cup of coffee is 7cm deep at rest. 1. Whether it will spill out while ax=7m/s2? 2. pressure of point A?,课堂练习,It will not spill out !,解,重力场中静止液体的压强分布规律,连通器的液面必在同一水平面内（例1
9、-1）,例1-3 湿气大气压表的工作原理,例1-4 液体的相对平衡问题,解,求压强分布,离心压气机中气流从中心流到叶轮外边缘时压强增大,1.8 标准大气,包围整个地球的空气总称为大气。在大气层内温度、压强随高度变化，按其变化特征，可将大气分为若干层。,飞行器的飞行性能与大气的物理状态 (密度、温度和压强等 )有密切关系，而大气物理状态是随其所在地理位置、季节和高度而变化的。为了准确描述飞行器的飞行性能，就必须建立一个统一的标准，即国际标准大气。它依据实测资料，用简化方程近似地表示大气温度、密度和压强等参数的平均铅垂分布，并排列成表，形成国际标准大气表。,国际标准大气,1.大气被看成完全气体，服从气体的状态方程。,2.在海平面上，大气温度为288.15K， 压强为 101.325kPa，密度为1.225kg立方米。,3.对流层(0-11000m)：温度T=288.15-0.0065h； 11000-20000m：范围内温度为常数T=216.65K; 20000-32000m：温度T=216.65+0.001(h-20000)。,范,对流层:,密度比:,温度,密度,压强,平均自由程,课堂练习,假设大气密度是个常数,其值为 ,试求大气层的上界为多少米?(设在海平面压强与国际标准大气相同),解,课外作业: 1-2; 1-4;1-8;1-9,本章基本要求,
