空气动力学课件

流体力学Fluid Mechanics

第一部分

张震宇

南京航空航天大学

航空宇航学院

简介

⏹空气动力学(Aerodynamics)

⏹课程类别：必修课

⏹面对航空类本科生的专业基础课程⏹42学时

第一部分课程结构

⏹预备知识

⏹偏微分方程、微积分、矢量分析、场论

⏹守恒律、热力学定律

⏹基本原理

⏹空气动力学、流体力学

⏹无粘不可压流动

⏹Bernoulli 方程、位流理论、基本解、K-J定理⏹无粘可压流动

⏹热力学定律、等熵流动、激波理论、高速管流

第二部分课程结构（此处从略）⏹低速翼型理论

⏹几何特点、K-J后缘条件、薄翼型理论

⏹低速机翼气动特性

⏹B-S定律、升力线（面）理论

⏹亚音速空气动力学

⏹小扰动线化理论、薄翼型（机翼）气动特性

⏹超音速空气动力学

⏹薄翼型线化理论、跨音速流动、高超音速流动

⏹计算流体力学（CFD）

⏹网格生成、控制方程解算

背景阅读

⏹徐华舫，《空气动力学基础》，北航版⏹H. Schlichting, Boundary layer theory

⏹J.D. Anderson, Introduction to Flight

⏹E.L. Houghton & P.W. Carpenter, Aerodynamics for Engineering Students

⏹G.K. Batchelor, An Introduction to Fluid Dynamics

⏹D.J. Tritton, Physical Fluid Dynamics

⏹/

第一章流体力学的基础知识

⏹基本任务和研究方法

⏹流体力学及空气动力学发展概述

⏹流体介质的物理特性

⏹气动力、力矩及气动力系数

⏹矢量和积分

⏹控制体、流体微团以及物质导数

研究流体运动的科学

研究流体运动的科学

研究流体运动的科学

Tacoma Narrows Bridge，1940

研究流体运动的科学

流体力学的基本任务

⏹研究对象：流体和固体间的相对运动

⏹探寻流体运动的基本规律

⏹研究流体与固体之间的相互作用⏹应用流体力学规律解决工程技术问题⏹预测流体力学新的发展方向

应用领域

⏹飞行器、船舶设计⏹建筑设计、土木工程⏹热能工程、传热学⏹热化学流体力学

⏹生物流体力学

⏹磁流体力学

主要研究方法

⏹实验研究

⏹理论分析

⏹数值计算

实验设备

风洞wind tunnel

激波管shock tube 水洞water tank

实验测试技术

⏹机械

⏹光、电、声、热

流动显示技术

实验研究方法

⏹实验结果较为真实、直接、可靠⏹限制因素

⏹模型尺寸限制

⏹实验边界的影响

⏹测量过程的干扰

⏹大量的人力和物力耗费

理论分析方法

⏹流动的模型化——问题的抽象表达

⏹找出主要因素，忽略次要因素

⏹控制方程的建立与解算

⏹后处理和分析

⏹未计及因素的修正

⏹有助于揭示问题的内在规律

⏹仅适用于简单问题

数值计算方法

⏹求解方法多样化

⏹有限差分(FDM)、有限元(FEM)、有限体积

方法(FVM)、谱方法

⏹对常规问题耗费相对较小

⏹可用于解算复杂流场的流动

⏹精度、稳定性、模型合理化

流体力学发展概述（-1800）

Daniel I. Bernoulli (1700-1782)

流体力学发展概述（-1800）

Leonhard Paul Euler (1707-1783)Jean le Rond d'Alembert (1717–1783)

流体力学发展概述（1800-）

Siméon-Denis Poisson (1781 –1840) Pierre-Simon, marquis de Laplace (1749 -1827)

流体力学发展概述（1800-）William John Macquorn Rankine (1820–

1872) Potential/flow function Singular method/shock relations Hermann Ludwig Ferdinand von Helmholtz (1821 –1894)Vortex theory ，Hydro-stability

流体力学发展概述（1800-）

Claude-Louis Navier (1785 –1836)Sir George Gabriel Stokes,

1st Baronet FRS (1819–1903)

流体力学发展概述（1800-）

Osborne Reynolds (1842–1912) Nikolai Y. Zhukovsky (1847 –1921) K-J theorem

流体力学发展概述

（1800-）

Martin Wilhelm Kutta (1867-1944) Ludwig Prandtl (1875 –1953)