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

空气动力学基础空气动力学是研究物体在气体中运动时所产生的力以及气体运动规律的学科它涉及从飞机飞行到风力涡轮机设计等诸多领域课程概述课程目标课程内容本课程旨在帮助学生掌握飞行涵盖流体力学基础、气体力学器空气动力学基础理论知识，基础、飞行器气动特性以及相为后续专业课程学习奠定基础关实验和数值模拟技术等内容学习方法课堂讲授、课后习题、实验操作和文献阅读相结合，培养学生理论联系实际的应用能力绪论空气动力学是研究物体在空气中运动时所产生的力的学科它涵盖了流体力学原理在航空航天领域的应用，包括飞机、导弹、火箭等飞行器的设计和分析流体力学基础流体性质压力流体运动流体力学定律流体是可流动的物质，例如压力是指作用在流体表面上流体运动是流体力学研究的质量守恒定律•空气和水流体具有可压缩的力，单位面积上的力，是核心内容，包括流体的速度动量定理•性和黏性流体静力学的重要概念、加速度和运动轨迹能量定理•理想流体无黏性不可压缩12理想流体没有黏性，这意味理想流体密度保持不变，无着流体层之间没有摩擦力论压力如何变化无热传导流体运动34理想流体不传热，这意味着理想流体假设简化了对流体流体温度保持恒定运动的分析黏性流体内摩擦力黏度黏性流体模型黏性流体具有内摩擦力，也称为黏性力黏度是描述流体抵抗剪切变形的性质牛顿流体和非牛顿流体是两种常见的黏这种力在流体内部不同流层之间发生黏度越大，流体流动越困难，反之亦然性流体模型，它们具有不同的黏性特性质量守恒定律质量守恒定律是流体力学中的一个基本定律，它指出在一个封闭系统中，系统的总质量保持不变这表明质量既不能被创造也不能被毁灭，它只能从一种形式转化为另一种形式在流体动力学中，质量守恒定律通常表示为连续性方程连续性方程说明了流体在流动过程中，流体密度和流速之间的关系它是一个微分方程，它可以用来描述流体的运动和变化动量定理动量定理牛顿第二运动定律流体动量变化率作用于流体的外力控制体积流体运动动量定理是流体力学中一个重要的基本定理，它描述了流体动量的变化率与作用于流体的外力之间的关系动量定理的应用广泛，例如，用于分析飞机升力、火箭推进力等能量定理能量定理描述了流体系统中能量守恒原理该定理指出，流体系统总能量保持不变，能量形式可以相互转换能量定理可用于分析流体系统中的能量变化，如流体流动过程中的能量损失或增益伯努利方程伯努利方程是流体力学中的一个重要方程，描述了理想流体在稳定流动状态下，流体能量守恒的定律该方程将流体的压力、速度和高度联系在一起，是分析和计算流体运动的基础1/2动能反映流体运动速度的能量ρgh势能反映流体位置高度的能量P压力能反映流体压力的能量无黏性流场分析欧拉方程无黏性流场分析通常基于欧拉方程，该方程描述了流体运动的质量、动量和能量守恒简化假设欧拉方程假设流体不可压缩、无黏性，并忽略了热传导和粘性耗散等效应，简化了流场分析流线分析通过分析流线和流函数，可以了解流体运动轨迹和速度分布，并预测流体运动趋势应用领域无黏性流场分析广泛应用于航空航天、船舶和机械工程等领域，用于优化飞行器气动外形、设计水翼和叶片等层流与湍流层流湍流流体粒子沿平滑路径流动流线平行且不交叉低速流动通常表现为层流流体粒子呈不规则、混乱的运动流线交叉，形成漩涡和乱流高速流动通常表现为湍流边界层粘性效应层流边界层湍流边界层边界层是指流体在物体表面附近受到粘边界层可以分为层流边界层和湍流边界湍流边界层中流体以不规则、混乱的方性影响的区域流体运动速度从物体表层层流边界层中流体层流运动，流动式流动湍流边界层具有更高的摩擦阻面开始逐渐增大稳定、平滑力，对飞行器性能影响较大气体力学基础气体力学是空气动力学的重要组成部分，研究空气与物体相互作用产生的力学现象气体力学侧重于探讨空气作为流体，在运动过程中与物体表面相互作用产生的力学现象，例如升力、阻力、以及飞行器在不同飞行状态下的气动特性声速与超声速声速是指声音在介质中传播的速度，与介质的性质和温度有关超声速是指物体运动速度超过声速，其速度大于马赫1超声速飞行器的运动速度比声速快，其气动特性与亚声速飞行器有很大区别气体动力学方程控制方程描述连续性方程质量守恒定律动量方程牛顿第二定律能量方程能量守恒定律气体动力学方程组是描述气体流动状态的数学模型该方程组由连续性方程、动量方程和能量方程组成，分别反映了质量、动量和能量的守恒高超声速流场高马赫数气体压缩高超声速流场指的是马赫数大由于速度极高，流体压缩性效于的流场，其特点是流体速度应变得显著，导致空气密度发5极高，远远超过声音的速度生急剧变化，对飞行器的气动特性产生重大影响高温环境复杂现象高速飞行会产生剧烈摩擦，导高超声速流场中存在一系列复致空气温度急剧升高，形成高杂的物理现象，例如激波、边温气体，对飞行器材料和结构界层分离、化学反应等，需要带来严峻挑战深入研究和理解冲击波定义特性应用空气动力学中，当物体在空气中以超声冲击波是一种非线性现象，具有较强的冲击波在航空航天、国防、工业等领域速飞行时，会产生一种剧烈的压缩波，能量和密度变化，会对物体产生显著的有着广泛的应用，例如超音速飞行器设称为冲击波影响计、超声波加工等释放激波激波释放激波的形成当超声速物体飞行时，激波会在物体周围形成这些激波是当物体速度超过声速时，它会产生一种压缩波，这种压缩波被由物体移动产生的压力波引起的称为激波激波的形成会导致空气温度和压力的急剧变化膨胀波膨胀波概念膨胀波特点

1.

2.12膨胀波是流体在经过一个膨膨胀波通常发生在物体尖锐胀角时，压强降低，速度升的边缘或角部，例如飞机机高的现象翼的尖端膨胀波类型膨胀波应用

3.

4.34膨胀波分为中心膨胀波和非膨胀波在航空航天、流体力中心膨胀波，中心膨胀波通学等领域有着广泛的应用，常发生在球形或圆柱形物体例如超音速飞行器的设计和周围分析流量控制流量控制翼型控制流量控制是飞行器气动设计中改变机翼表面形状，例如襟翼重要环节通过调节飞行器表、副翼等，可以控制机翼的升面形状或其他控制装置，改变力、阻力，并实现转向等操作气流流量分布，从而实现控制飞行姿态、速度和轨迹等目标喷气式飞机其他控制喷气式飞机通过调节发动机推其他控制方式包括可控襟翼、力，改变气流速度和流量，从可控涡流发生器等，利用气流而控制飞行姿态和速度控制技术优化飞行器性能气体动力学应用气体动力学原理广泛应用于航空航天、机械制造、能源动力等领域，其应用领域不断扩展气体动力学研究成果在推动科技进步和社会发展中发挥着至关重要的作用飞行器概述飞行器是利用空气动力原理在空中飞行的装置常见的飞行器包括飞机、直升机、飞艇等飞行器是人类科技的重要成就，对人类社会发展起着重要作用飞行器设计和制造涉及多学科交叉，包括空气动力学、结构力学、材料学、控制理论等飞行器是复杂的系统，需要综合考虑多个因素才能实现安全、高效飞行气动力作用升力阻力侧向力力矩升力是指空气对飞行器的垂阻力是指空气对飞行器的水侧向力是指空气对飞行器的力矩是指空气对飞行器产生直向上力，使飞行器能够克平方向上的力，阻碍飞行器垂直于升力和阻力的力，主的旋转力，影响飞行器的姿服重力而升空前进要影响飞行器的横向稳定性态控制升力产生机理空气动力学原理翼型设计迎角影响当机翼运动时，由于机翼上表面空气流机翼上表面弯曲，下表面平直，导致上机翼迎角增大时，上表面空气流速加快速快，下表面空气流速慢，导致上下表表面空气流过路径更长，速度更快，下，压力差增大，升力增大；迎角过大，面压强差，形成压力差，从而产生向上表面空气流过路径更短，速度更慢，产则会产生失速现象，升力急剧下降升力生压力差阻力产生机理摩擦阻力形状阻力

1.

2.12由于物体表面与流体之间相对运动产生的摩擦力，与物体表由于物体形状引起的流体绕流阻力，与物体形状和流体密度面积和流体黏性有关有关诱导阻力波阻力

3.

4.34由于机翼产生升力而引起的阻力，与机翼展弦比和升力系数高速飞行时，由于机身周围产生压缩波而引起的阻力，与飞有关行速度和物体形状有关飞行器气动特性气动特性描述升力系数衡量飞行器升力大小的无量纲系数阻力系数衡量飞行器阻力大小的无量纲系数升阻比反映飞行器升力和阻力之间的关系俯仰力矩系数衡量飞行器绕横轴的力矩大小的无量纲系数滚转力矩系数衡量飞行器绕纵轴的力矩大小的无量纲系数偏航力矩系数衡量飞行器绕垂轴的力矩大小的无量纲系数翼型气动设计翼型气动设计是飞行器设计中至关重要的环节，其目标是优化翼型形状，以实现最佳的气动性能，例如升力和阻力的平衡设计过程通常包括多个阶段，从初步概念设计到详细的优化设计，最终实现符合飞行器性能要求的翼型翼型概念设计1根据飞行器任务需求，确定基本翼型类型，例如对称翼型或非对称翼型翼型参数优化2通过调整翼型参数，例如弦长、厚度、弯度，优化翼型的气动性能翼型性能评估3采用计算流体力学软件或风洞实验方法评估翼型的气动性能翼型气动设计涉及多种学科，例如流体力学、空气动力学、材料科学等，需要运用先进的设计软件和实验方法实验研究方法风洞实验水洞实验风洞是模拟飞行器周围气流环境的实验装置水洞实验利用水作为介质，模拟飞行器在水中的运动状态通过测量模型表面的压力、速度和力等参数，可以获得飞行器可以研究飞行器的阻力、升力、稳定性等特性，并分析其在水的空气动力特性中的运动规律数值模拟技术计算流体动力学气动设计软件风洞实验计算流体动力学（）软件使用数值专门用于飞机气动设计的软件可以模拟风洞实验验证数值模拟结果，提供真实CFD方法解决流体力学问题，如飞机气动设气流与机身、机翼等的相互作用气动数据计总结与展望本课程深入探讨了空气动力学的基础理论和应用，为学生们学习后续课程奠定了坚实基础未来，空气动力学将继续发展，与其他学科交叉融合，应用于更广阔的领域。