北京航空航天大学飞行器空气动力学课件——空气动力学基础

空气动力学基础探索气体流通过物体时的力学原理和规律这是航空航天领域的核心基础知识,涉及飞行器设计、流体运动分析等关键环节掌握空气动力学基础对于理解和预测飞行器的性能至关重要绪论空气动力学概述飞行器设计的基础12空气动力学是研究物体在空气空气动力学为飞行器的设计提中的运动规律及其与空气之间供了理论基础和数据支撑,对飞相互作用的一门科学行器的性能有决定性影响发展历程学科地位34空气动力学自达芬奇以来经历空气动力学是航空航天工程的了长期的发展,并伴随着飞行器核心学科之一,在各类飞行器的技术的不断进步而不断创新设计和研究中扮演重要角色空气动力学的基本概念流体流动空气动力学研究的基础是流体的运动和变化规律流体的流动特性是空气动力学的核心力的作用流体运动中产生的气动力和气动矩是空气动力学研究的重点它们会影响物体的运动流动类型空气动力学研究不同流动条件下的流场特性,如亚音速、跨音速、超音速等流型流体运动的基本定律3守恒定律物质守恒、能量守恒和动量守恒是流体运动的三大基本定律5基本方程连续性方程、动量方程和能量方程描述了流体运动的基本规律4边界条件流体流动必须满足固体表面、进出口等边界处的特定条件理想流体的基本方程质量守恒1流体质量在任何时间都是不变的动量守恒2流体推力等于质量流率与速度的乘积能量守恒3流体能量由内能、动能和势能组成伯努利方程4描述流速与压力之间的关系理想流体的基本方程包括质量守恒、动量守恒和能量守恒三个基本定律这些方程描述了流体运动的基本规律,为理解空气动力学奠定了基础伯努利方程进一步揭示了流体速度和压力之间的关系,是理解气动力产生的关键方程理想流体流动无黏性假设理想流体流动假设流体无内部摩擦和相互作用,只存在流动惯性这样可以简化流动分析,为进一步研究提供基础连续性方程理想流体流动服从连续性原理,即流体流经任何截面的质量流量恒定不变伯努利方程根据能量守恒定律,可以得到伯努利方程,描述理想流体流动中压力、速度和位置之间的关系流线理论通过分析流线分布,可以研究理想流体绕物体表面的流动特性,为气动设计提供依据等温流动吸热1物体吸收热量时温度保持不变等温压缩2将气体压缩但不改变其温度等温膨胀3气体膨胀时温度保持不变等温流动是指流体在流动过程中,其温度保持常值的流动状态这种流动模式在很多实际应用中都有重要作用,如气体吸收和压缩过程、发动机活塞运动等等温流动不会引起温度变化,因此不会涉及热效应,简化了流动分析等熵流动绝热过程高效能量利用等熵流动描述了一种绝热过程,在该过程中,系统内部没有任何热交换,压力等熵流动能够最大限度地利用系统内部的能量,是一种高效的流动方式,广和温度随体积变化而成比例变化泛应用于工程实践中123等温线变化在等熵流动中,流体的温度和压力沿着一条等温线变化,保持恒定的热力学熵值压缩性流动马赫数效应1当气流速度接近或超过音速时,密度和温度的变化会产生明显的压缩性效应,影响流动特性衝击波的产生2在超音速流动中,气流会在物体前面产生衝击波,导致压力、密度和温度急剧变化边界层的影响3压缩性效应会改变边界层的特性,引起流动分离、湍流发展等复杂现象亚音速流动流速小于声速亚音速流动指流速小于声速的情况这种流动可以忽略压缩性效应，流线流动特性明显稳定流动特征亚音速流动通常保持稳定，流线型形状和紊流流动特征较为明显典型应用亚音速流动广泛应用于常规飞机、弹道导弹和涡轮发动机等工程领域临界马赫数概念解释临界马赫数是指当气流在物体表面达到声速时的马赫数这一点是气流从亚音速流动转变为跨音速流动的关键分界线重要性临界马赫数是设计飞机和航天器时必须考虑的关键参数,对于确定气动力特性、流动特性以及材料选择等都有重要影响测量方法通过风洞试验和数值模拟等方法可以测量和预测临界马赫数,是航空与航天领域的基础研究内容之一跨音速流动亚音速流动1流速小于音速，流动线平滑，无冲击波跨音速流动2流速接近音速，局部流场出现激波超音速流动3流速大于音速，流动线有激波、膨胀波等特点在跨音速流动中，气流流速接近音速，局部区域会出现激波激波会引起流场的急剧变化，对气动力有重要影响因此跨音速流动是航空发动机设计和高速飞行器气动设计的关键问题之一超音速流动波动现象1超音速流动中存在复杂的压缩性波动，如冲击波和膨胀波拖力特性2超音速流体流动会产生更大的拖力，需要特殊的设计气动加热3流体压缩过程中会产生大量热量，需要考虑耐热性能与亚音速流动相比，超音速流动表现出许多独特的特点重要的特点包括压缩性波动、较大的拖力以及气动加热效应这些现象给飞行器的设计和研究带来了挑战，需要深入分析和研究冲击波冲击波是一种非常强烈的压力波,它可以在高速流动中发生当流体速度超过声速时,会在流体前方形成一个不连续的压力界面,就是冲击波冲击波的产生会导致流体参数如压力、温度、密度等发生突然的变化冲击波的分类包括正常冲击波和斜冲击波,它们在空气动力学中都起着重要作用正确理解和应用冲击波理论对于航天器高超音速飞行、喷气发动机等设计至关重要高超音速流动流动特点1流动速度达到或超过音速，产生强烈的压缩效应气动加热2气体流经物体表面时产生的高温会严重影响材料性能冲击波3物体在高速运动下会产生复杂的冲击波系统气动力学挑战4高温和强压缩效应使流动分析和预测更加困难高超音速流动是航天器飞行过程中关键的气动现象其主要特点包括高速流动产生的强烈压缩效应、高温导致的材料性能变化、以及复杂的冲击波系统这些效应给气动力学分析和预测带来了极大的挑战黏性流动黏性力流体中存在的内部摩擦力,在流动过程中会产生能量损失边界层理论黏性效应集中在靠近表面的薄层内,该层称为边界层层流与湍流流体可以呈现有序的层流状态或无序的湍流状态分离现象在表面附近,高压对流区会使流体分离,引发涡流边界层概念解释产生机理特征分析作用影响边界层是流体在固体表面附近由于流体的黏性作用,在固体边界层厚度随距离增加而增边界层的存在会显著影响流体形成的一个薄层,流体在此层表面附近会形成一个黏性较大大,流体速度也由零逐渐增动力学特性,如阻力、升力等,内的流动受到显著影响它是的薄层,导致流体流动发生变加边界层内部存在速度梯是设计中需要重点考虑的因空气动力学中的一个重要概化这个薄层就是边界层度,会产生剪切应力素念流动分离流动分离的概念流动分离的判断分离流的影响流动分离是指流体在接触固体表面时,由于通过分析边界层内的速度分布及压力变化,流动分离会造成阻力大幅增加、升力下降等受到不利压力梯度的影响,流体层无法跟随可以判断流动是否发生分离关键参数包括负面影响,严重影响航空器的气动性能因表面继续前进而脱离表面的现象这会导致边界层厚度、压力梯度及摩擦力等此及时发现并控制分离流是设计优化的重要流动紊乱,影响气动性能任务层流与湍流层流特征湍流特征层流是流体流动中的一种理想状态,流线平滑,流体颗粒沿平行路径流湍流是流体流动中的一种混乱状态,存在不规则的速度脉动和涡旋,导动,不会出现扰动和混合致流体颗粒的强烈交错与混合流动转变层流与湍流对比在一定的流速和几何条件下,层流可能会转变为湍流,这个转变过程取层流具有较低的流动阻力,而湍流阻力较高,但能增强物质和热量的传决于雷诺数输湍流模型k-ε模型k-ω模型雷诺应力模型大涡模拟k-ε模型是一种基于湍动能和k-ω模型也是一种两方程湍流雷诺应力模型直接求解雷诺应大涡模拟LES则通过直接计湍流耗散率的两方程模型,广模型,但采用湍动能和湍流频力的输运方程,可以更准确地算大尺度湍流，并使用亚格网泛应用于工程计算中该模型率作为变量相比于k-ε模描述复杂流场中的各向异性湍模型处理小尺度湍流,能更准简单易用,能较好地预测平均型,k-ω模型在近壁区表现更为流效应但计算量较大,应用确地捕捉湍流的本质特征流场出色较为受限其他流动类型多相流动可变截面流动包括液固两相流、气液两相流等,如气动变形机翼和可变几何喷管,在航空航天领域有广泛应用可以实现更好的气动性能非定常流动旋转流动如涡旋脉动、飞行器振动等,需要如推进器和涡轮机中的旋转流场,特殊的数值模拟和试验方法其复杂的三维特性值得深入研究扩散与传热扩散原理导热传热扩散是微观粒子无序随机运动导致的导热是固体内部或两物体接触界面上宏观物质传输过程，涉及热量、物质的热量传播，体现了温度梯度下的热等的传递量传递对流传热辐射传热对流传热是流体运动带动的热量传递辐射传热是通过电磁波将热量从高温过程，包括自然对流和强制对流两种物体传递到低温物体的过程，不需要形式介质典型空气动力学问题机翼气动特性飞行器气动布局研究机翼在不同马赫数和攻角下合理的气动布局可以提高飞行器的升力、阻力等气动特性,是空的总体性能,是一个需要权衡多气动力学的核心问题之一方因素的复杂问题流场干扰分析航天器再入问题研究机体、翼型、尾翼等各部件高超音速再入飞行时的热载荷和之间的流场干扰,有助于优化整气动特性分析是一个重要的研究机气动性能领域气动力学测试风洞试验数值模拟飞行试验通过在实际大小或缩小模型的风洞中进行测借助计算流体动力学CFD的先进仿真技术,实际飞行测试可以获取真实的气动数据,弥试,可以准确测量飞行器的气动特性,为优化可以对飞行器气动性能进行虚拟预测,大幅补风洞和仿真模型的局限性,确保最终产品设计提供关键数据提高开发效率的性能安全风洞试验实验准备1设计并制造精确的模型,安装适当的测量传感器,确保试验条件符合实际应用.数据采集2记录模型表面压力、力矩、流场数据等,建立详细的实验数据库.数据分析3借助专业软件解析实验数据,评估气动特性并优化设计方案.数值模拟网格划分1将研究域离散化,生成细节丰富的网格结构边界条件2定义物理边界,为模拟过程提供必要条件控制方程3选择合适的控制方程,描述流动的物理规律求解算法4采用数值算法解决控制方程,获得流场参数可视化分析5利用可视化工具呈现数值模拟结果,分析流场数值模拟是现代流体力学研究的重要手段,通过对控制方程的数值求解,可以获得复杂流场的详细信息从网格划分到求解算法,每个步骤都需要精心设计,以确保模拟结果的可靠性和准确性最终通过可视化分析,研究人员可以深入理解流动现象,为航空航天应用提供有价值的参考数据气动力和气动矩航空器在飞行过程中会受到气动力和气动矩的作用气动力包括升力、阻力、侧力等,气动矩包括俯仰矩、滚转矩、偏航矩等这些力和矩会影响航空器的操纵性能和飞行稳定性气动设计与优化1多学科优化设计2计算流体力学（CFD）将空气动力学与结构、推进、利用先进的CFD技术准确预测控制等多个学科融合,实现全方复杂流场,为优化设计提供可靠位的优化设计依据风洞试验验证算例对比与分析34在优化设计的基础上,通过风洞对比不同优化设计方案,深入分试验对关键性能进行验证和修析各方案的优缺点,找到最优正解小结与前景展望持续进步空气动力学知识不断发展,为航空航天技术创新提供新动力深入研究亟需针对新材料、新结构、新推进等领域开展深入系统的空气动力学研究广泛应用空气动力学理论不断丰富,在航空、航天、汽车等领域有更广泛的应用前景。