空气动力学基础知识ppt课件
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（1）流体微团： 空气的小分子群，空气分子间的自由行程与飞行器相比较 太小，可忽略分子的运动
（2）流线： 流体微团流动形成的轨线， 流线不相交、流体微团不穿越流线（分子的排斥性） 9
一、流场（续）
（3）流管：
多个流线形成流管
管内气体不会流出
管外气体也不会流入，不同的截面上，流量相同
（4）定常流：
流场中各点的速度、加速度以及状态参数等只是几何位 置的函数，与时间无关
m1 1V1 A1 m2 2V2 A2
质量守恒原理在流体力学中的应用
或写成：
d dV dA 0 V A
VA m(常数)
在V小、小范围内
连续方程：
常数，d 0 A大，V小
VA 常数
A小，V大
11
三、伯努里方程（能量守恒定律）
在低速不可压缩的假设下，密度为常数
伯努里方程： 其中：p-静压，
a
音速： a 20 T T:空气的绝对温度
音速a与温度有关，表示空气受压缩的程度,是高度的函数
临界马赫数Mcr
迎面气流的M数超过某数值时，翼面上出现局部的超音速区， 将产生局部激波 ，此时远前方的迎面气流速度V与远前方 空气的音速a之比
Mcr-每种机翼的特征参数
飞行速度定义
M<0.3时为低速飞行；0.3<M<Mcr为亚音速飞行; Mcr<M<1.5为 跨音速飞行; 1.5<M<5为超音速飞行，M>5为高超音速飞行
18
风洞不同马赫数流场的形成
亚跨声速： p 1 V 2 C(常数)
2
超声速： 拉阀尔喷管：它是一个先渐缩后渐扩的管道装置，喷管的最小截面称为喉道， 在喉道处气流达到音速。 要想把亚音速气流加速成为超音速气流，管道结构必须是先收缩后扩张，这一 点是产生超音速气流的必要条件。
p 1 V 2 C(常数)
2
1/2V2 — 动压，单位体积的动能，与高
度、速度有关
表明静压与动压之和沿流管不变
当V=0，p=p0，—最大静压
p
1 2
V 2
p0
总压
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
V大，p小；V小，p大
12
四、马赫数M
马赫数：为气流速度(v)和当地音速(a)之比: M V
音速：微弱扰动在介质中的传播速度。
13
五、弱扰动的传播
飞机在大气中飞行 — 扰动源 扰动源以速度V在静止空气中运动，相当于扰动源静止而空
气以速度v流动 扰动源v=0，以音速传播（a） V<a,M<1,前方空气受扰，变化不大（b） V=a，M=1,扰动源与扰动波同时到达，前方空气（c）,扰动
只影响下游 V>a,M>1, （d）前方空气未受扰飞机前临近空气,突然，形
7
我国发展概述
风筝、火箭、竹蜻蜓、气球等 1934年、航空工程系 50、60年代航空工业崛起 70年代建立门类齐全的航空工业体系 改革开放后跨越发展
8
第一节 空气动力学的基本知识
一、流场
定义 可流动的介质（水，油，气等）称为流体，流体所占据的 空间称为流场。
流场的描述 流体流动的速度、加速度以及密度p、压强p、温度T（流体 的状态参数）等 — 几何位置与时间的函数
实验研究
风洞、水洞、激波管中进行的模型试验（相似原理） 飞行试验 优点：较真实、可靠 不足：不能完全、准确模拟、测量精度、人力、物理
理论分析
流动现象=》物理模型=》基本方程=》求解=》分析、判断=》修 正
揭示内在规律，受数学发展水平限制、难满足复杂问题
数值计算
近似计算方法（有限元） 经费少、但有时结果可靠性差
它是在流体力学的基础上，随着航空工业和喷气推 进技术的发展而成长起来的一个学科。还涉及飞行 器性能、稳定性和操纵性等问题。
包括外流、内流。 遵循基本规律：质量守恒、牛顿第二定律，能量守恒、热
力学第一、第二定律等。
4
发展简史：
18世纪流体力学开始创建：伯努利公式、欧拉方程 等。
19世纪流体力学全面发展；形成粘性流体动力学、 空气-气体动力学：NS方程、雷诺方程等。
（5）流动的相对性
物体静止，空气流动
物体运动，空气静止
相对速度相同时，流场中 空气动力相同
10
二、连续方程
在流管上取垂直于流管中心线上流速方向的两个截面，
截面I： V1, 1, A1, m1
截面Ⅱ： V2 , 2 , A2 , m2
空气流动是连续的，处处没有空隙
定常流：流场中各点均无随时间分子堆积，因而单位时间内， 流入截面Ⅰ的空气质量必等于流出截面Ⅱ的空气质量
(M 2 1) dV dA VA
流管截面积增大(dA为正)的情况下，流速变小或增大,与M数 有关
超音速气流的变化过渡区内气体是连续膨胀的，叫膨胀波
16
亚音速时M<1， ( M2-1)为负值，截面积增大则流速变小。 超音速时M〉1, ( M2-1)为正值，截面积增大流速也增大
17
延伸—风洞结构
成激波,受扰区限于扰源下游的马赫锥内
14
六、激波
气流以超音速流经物体时，流场中的受扰区情况与物体的形 状有关，超音速—强扰动，产生激波
激波实际上就是气流各参数的不连续分界面 在激波之前，气流不受扰动，气流速度的大小和方向不变， 各状态参数也是常数； 气流通过激波，其流速突然变小，温度、压强、密度等也突 然升高
空气动力学与飞行力学 基础知识
1
内容
绪论 基本概念 飞行力学基础
2
绪论
飞行器
空气中的运动体，一个复杂的被控对象，要 想控制它，需要了解气流特性与飞行器在气 流中飞行时的特性
飞行力学：
研究飞行器在大气中飞行时的受力与运动规 律，建立飞行器动力学方程
3
空气动力学是力学的一个分支
研究物体在同气体作相对运动情况下的受力 特性、气体流动规律和伴随发生的物理化学 变化。
钝头物体的激波是脱体波（正激波），产生大波阻 楔形物体的激波是倾斜的（附体波 ），波阻较小，用于超音
速飞机的机头
15
七 膨胀波
伯努利静态公式
p 1 V 2 C(常数) 2
不适用于高速流动情况 ，由
于空气高速流动时密度不是常数
由推导伯努利方程动态过程，得出考虑到空气的可压缩性的 能量守恒方程：
20世纪创建完整的空气动力学体系：儒可夫斯基、 普朗特、冯卡门、钱学森等，包括无粘和粘性流体 力学。1903年莱特兄弟实现飞行，60年代计算流体 力学。。。。。。
5
分类：
低速 亚声速 跨声速 超声速（高超） 稀薄气体空气动力学、气体热化学动力学、
电磁流体力学等 工业空气动力学
6
研究方法：
（2）流线： 流体微团流动形成的轨线， 流线不相交、流体微团不穿越流线（分子的排斥性） 9
一、流场（续）
（3）流管：
多个流线形成流管
管内气体不会流出
管外气体也不会流入，不同的截面上，流量相同
（4）定常流：
流场中各点的速度、加速度以及状态参数等只是几何位 置的函数，与时间无关
m1 1V1 A1 m2 2V2 A2
质量守恒原理在流体力学中的应用
或写成：
d dV dA 0 V A
VA m(常数)
在V小、小范围内
连续方程：
常数，d 0 A大，V小
VA 常数
A小，V大
11
三、伯努里方程（能量守恒定律）
在低速不可压缩的假设下，密度为常数
伯努里方程： 其中：p-静压，
a
音速： a 20 T T:空气的绝对温度
音速a与温度有关，表示空气受压缩的程度,是高度的函数
临界马赫数Mcr
迎面气流的M数超过某数值时，翼面上出现局部的超音速区， 将产生局部激波 ，此时远前方的迎面气流速度V与远前方 空气的音速a之比
Mcr-每种机翼的特征参数
飞行速度定义
M<0.3时为低速飞行；0.3<M<Mcr为亚音速飞行; Mcr<M<1.5为 跨音速飞行; 1.5<M<5为超音速飞行，M>5为高超音速飞行
18
风洞不同马赫数流场的形成
亚跨声速： p 1 V 2 C(常数)
2
超声速： 拉阀尔喷管：它是一个先渐缩后渐扩的管道装置，喷管的最小截面称为喉道， 在喉道处气流达到音速。 要想把亚音速气流加速成为超音速气流，管道结构必须是先收缩后扩张，这一 点是产生超音速气流的必要条件。
p 1 V 2 C(常数)
2
1/2V2 — 动压，单位体积的动能，与高
度、速度有关
表明静压与动压之和沿流管不变
当V=0，p=p0，—最大静压
p
1 2
V 2
p0
总压
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
V大，p小；V小，p大
12
四、马赫数M
马赫数：为气流速度(v)和当地音速(a)之比: M V
音速：微弱扰动在介质中的传播速度。
13
五、弱扰动的传播
飞机在大气中飞行 — 扰动源 扰动源以速度V在静止空气中运动，相当于扰动源静止而空
气以速度v流动 扰动源v=0，以音速传播（a） V<a,M<1,前方空气受扰，变化不大（b） V=a，M=1,扰动源与扰动波同时到达，前方空气（c）,扰动
只影响下游 V>a,M>1, （d）前方空气未受扰飞机前临近空气,突然，形
7
我国发展概述
风筝、火箭、竹蜻蜓、气球等 1934年、航空工程系 50、60年代航空工业崛起 70年代建立门类齐全的航空工业体系 改革开放后跨越发展
8
第一节 空气动力学的基本知识
一、流场
定义 可流动的介质（水，油，气等）称为流体，流体所占据的 空间称为流场。
流场的描述 流体流动的速度、加速度以及密度p、压强p、温度T（流体 的状态参数）等 — 几何位置与时间的函数
实验研究
风洞、水洞、激波管中进行的模型试验（相似原理） 飞行试验 优点：较真实、可靠 不足：不能完全、准确模拟、测量精度、人力、物理
理论分析
流动现象=》物理模型=》基本方程=》求解=》分析、判断=》修 正
揭示内在规律，受数学发展水平限制、难满足复杂问题
数值计算
近似计算方法（有限元） 经费少、但有时结果可靠性差
它是在流体力学的基础上，随着航空工业和喷气推 进技术的发展而成长起来的一个学科。还涉及飞行 器性能、稳定性和操纵性等问题。
包括外流、内流。 遵循基本规律：质量守恒、牛顿第二定律，能量守恒、热
力学第一、第二定律等。
4
发展简史：
18世纪流体力学开始创建：伯努利公式、欧拉方程 等。
19世纪流体力学全面发展；形成粘性流体动力学、 空气-气体动力学：NS方程、雷诺方程等。
（5）流动的相对性
物体静止，空气流动
物体运动，空气静止
相对速度相同时，流场中 空气动力相同
10
二、连续方程
在流管上取垂直于流管中心线上流速方向的两个截面，
截面I： V1, 1, A1, m1
截面Ⅱ： V2 , 2 , A2 , m2
空气流动是连续的，处处没有空隙
定常流：流场中各点均无随时间分子堆积，因而单位时间内， 流入截面Ⅰ的空气质量必等于流出截面Ⅱ的空气质量
(M 2 1) dV dA VA
流管截面积增大(dA为正)的情况下，流速变小或增大,与M数 有关
超音速气流的变化过渡区内气体是连续膨胀的，叫膨胀波
16
亚音速时M<1， ( M2-1)为负值，截面积增大则流速变小。 超音速时M〉1, ( M2-1)为正值，截面积增大流速也增大
17
延伸—风洞结构
成激波,受扰区限于扰源下游的马赫锥内
14
六、激波
气流以超音速流经物体时，流场中的受扰区情况与物体的形 状有关，超音速—强扰动，产生激波
激波实际上就是气流各参数的不连续分界面 在激波之前，气流不受扰动，气流速度的大小和方向不变， 各状态参数也是常数； 气流通过激波，其流速突然变小，温度、压强、密度等也突 然升高
空气动力学与飞行力学 基础知识
1
内容
绪论 基本概念 飞行力学基础
2
绪论
飞行器
空气中的运动体，一个复杂的被控对象，要 想控制它，需要了解气流特性与飞行器在气 流中飞行时的特性
飞行力学：
研究飞行器在大气中飞行时的受力与运动规 律，建立飞行器动力学方程
3
空气动力学是力学的一个分支
研究物体在同气体作相对运动情况下的受力 特性、气体流动规律和伴随发生的物理化学 变化。
钝头物体的激波是脱体波（正激波），产生大波阻 楔形物体的激波是倾斜的（附体波 ），波阻较小，用于超音
速飞机的机头
15
七 膨胀波
伯努利静态公式
p 1 V 2 C(常数) 2
不适用于高速流动情况 ，由
于空气高速流动时密度不是常数
由推导伯努利方程动态过程，得出考虑到空气的可压缩性的 能量守恒方程：
20世纪创建完整的空气动力学体系：儒可夫斯基、 普朗特、冯卡门、钱学森等，包括无粘和粘性流体 力学。1903年莱特兄弟实现飞行，60年代计算流体 力学。。。。。。
5
分类：
低速 亚声速 跨声速 超声速（高超） 稀薄气体空气动力学、气体热化学动力学、
电磁流体力学等 工业空气动力学
6
研究方法：