《空气动力学》课件

《空气动力学》课程介绍课程目标与学习要点掌握基本概念理解基本原理了解空气动力学的核心概念，如流深入理解流体运动的规律，包括流体体、压力、升力、阻力等静力学、流体动力学和边界层理论应用于航空领域将理论知识应用于航空器设计和飞行性能分析，例如翼型设计和飞机起降过程空气动力学概述空气动力学是研究物体在空气中运动时所产生的力以及运动规律的学科它是航空航天、汽车、建筑等领域的重要基础学科空气动力学的研究内容包括气流的特性、气体与物体相互作用产生的力、气流对物体的影响等流体基础知识流体的定义流体特性流体运动流体是指在剪切力作用下会发生连续变形密度流体运动是指流体在一定条件下发生的流•的物质，例如液体和气体动现象，是空气动力学研究的核心粘性••表面张力流体运动的基本方程连续性方程1质量守恒动量方程2牛顿第二定律能量方程3热力学第一定律流体流动的基本定律质量守恒定律动量守恒定律在封闭系统中，流体的质量保持流体在流动过程中，动量守恒，不变即流体受到外力的作用，动量发生变化能量守恒定律流体在流动过程中，能量守恒，即流体能量的形式发生转化，但总能量保持不变流体流动的分类层流湍流流体质点按规则轨迹运动，各质点间没有相互混合层流通常发流体质点运动无规则，各质点间相互混合，速度和压力发生剧烈生在流速较低、粘性较大的情况下波动湍流通常发生在流速较高、粘性较小的情况下边界层概念与特征边界层是指流体流过物体表面时，由于流体粘性而形成的一层薄薄的流体层，在这层中流体的速度从物体表面处的零速度逐渐增加到主流速度边界层内的流动特性与主流流动显著不同，主要表现为速度梯度大、剪切应力大、流动状态复杂等边界层的成因与发展粘性影响1由于流体具有粘性，靠近物体表面的流体速度会降低，形成一个薄薄的边界层层流边界层2当流速较低时，边界层中的流体流动平稳，称为层流边界层湍流边界层3当流速较高时，边界层中的流体流动不稳定，形成湍流边界层边界层分离4在一定条件下，边界层会从物体表面分离，导致流动阻力和升力下降湍流边界层的特点不规则混合性强12湍流边界层中的流体粒子运动湍流边界层内流体粒子之间剧混乱无序，速度和方向不断变烈混合，导致动量和热量传递化效率更高能量耗散3湍流边界层中的能量主要以热能的形式耗散，导致流体温度升高平板边界层的分析边界层方程1描述边界层内的流体流动边界层厚度2边界层厚度随距离增加而增加速度分布3边界层内速度分布非线性变化边界层分离4流体流动方向发生变化扩散边界层的分析边界层厚度扩散边界层厚度随距离增加而逐渐增厚速度分布扩散边界层内速度分布呈现抛物线形状流动特性扩散边界层内流体流动主要受粘性力的影响流动分离与再附分离点分离区12当流体流过物体表面时，在某分离点之后，流体形成一个分些情况下，流体会与物体表面离区，在这个区域，流体不再分离紧贴物体表面再附点3在分离区之后，流体可能会再次附着在物体表面，这个点称为再附点气动力概述气动力是流体作用于物体表面的力，是飞机能够飞行的根本原因气动力分为升力、阻力和侧力，分别对应物体垂直于来流方向、平行于来流方向和垂直于升力方向的力气动力的计算方法理论计算1基于流体力学方程和数值模拟实验测量2风洞试验和飞行试验数值模拟3使用软件进行计算CFD气动力的计算方法主要包括理论计算、实验测量和数值模拟三种理论计算基于流体力学方程和数值模拟，实验测量则通过风洞试验和飞行试验获取数据，数值模拟则使用软件进行计算，这三种方法各有优劣，需要根据实际情况选择合适的计算方法CFD升力系数的影响因素攻角翼型攻角是机翼弦线与来流方向之间不同的翼型具有不同的升力系数的夹角，攻角越大，升力系数越特性，例如后掠翼的升力系数一大般比直翼更大马赫数马赫数是指飞机飞行速度与音速的比值，在亚音速飞行中，升力系数随马赫数的增加而减小，而在超音速飞行中，升力系数随马赫数的增加而增加阻力系数的影响因素形状表面粗糙度攻角马赫数机翼的形状，例如翼型、展机翼表面的粗糙度会增加摩攻角是指机翼与来流方向之马赫数是飞机速度与声速的弦比和后掠角等，都会影响擦阻力，从而导致阻力系数间的夹角随着攻角的增比值当飞机接近声速时，阻力系数增大加，阻力系数也会随之增会产生激波，从而增加阻力加系数翼型空气动力特性翼型是指飞机机翼的横截面形状，其空气动力特性直接影响飞机的升力、阻力、以及飞行效率不同翼型具有不同的空气动力特性，例如，后掠翼型可以提高飞机的临界马赫数，从而降低阻力，提升飞行效率翼型设计需要考虑多种因素，例如，飞机速度、飞行高度、飞行姿态等机翼升力的产生机理压力差1机翼上表面空气流速快，压强低；下表面流速慢，压强高伯努利原理2流体速度增加，压强降低翼型设计3机翼上表面弯曲，下表面平直，引导气流产生升力飞机起飞与降落过程加速1飞机在跑道上加速，达到起飞速度离地2机翼产生足够的升力，使飞机离开地面爬升3飞机以一定的爬升角向上飞行，达到安全高度减速4飞机减速到降落速度，准备降落接地5飞机的起落架接触到跑道滑行6飞机在跑道上滑行，减速至停下来高升力装置的作用增加升力控制升力缩短起降距离高升力装置展开后，可有效增加机翼的面高升力装置还可以调节机翼的升力系数，高升力装置的应用，有效缩短了飞机的起积，提高机翼的升力系数，使飞机在低速使飞机在不同速度和高度下都能保持稳定飞和降落距离，提高了飞机的性能和安全状态下也能保持足够的升力，从而实现低的飞行姿态性速起飞和着陆战斗机气动布局特点高升力系数低阻力系数战斗机需要在低速状态下实现快速起战斗机在高速飞行时需要克服空气阻降，因此需要高升力系数的机翼设力，因此需要低阻力系数的机身和机计翼设计良好的机动性战斗机需要在空中快速转向、俯仰和滚转，因此需要设计可以产生较大操纵力的控制面直升机气动特性旋翼气动尾桨气动机身气动直升机的升力主要来自旋翼，其气动性能尾桨用于抵消旋翼产生的反扭矩，确保飞机身设计影响直升机的阻力和稳定性是关键行稳定鸟类飞行的启示高效飞行精准操控适应环境鸟类进化出轻盈的骨骼、流线型的身鸟类能够通过调整翅膀角度、羽毛和不同的鸟类物种已适应各种飞行环体和高效的翅膀，以实现最大限度的身体姿态来控制飞行方向和速度境，例如长途迁徙、捕食猎物或在密升力和最小阻力林中穿梭航天器气动设计减小阻力通过优化外形，降低空气阻力，提高飞行效率控制升力设计合适的翼型和机身，实现升力的控制，满足轨道变化和姿态调整的需求热防护在高速飞行过程中，空气与航天器表面摩擦产生高温，需要设计热防护系统来保证航天器的安全稳定性保证航天器在飞行过程中的稳定性，防止翻滚或失控汽车气动优化设计降低风阻改善散热性能优化车身形状，减少空气阻力，提升燃油效率优化进气口和散热器设计，保证发动机工作温度稳定123提升操控稳定性降低风噪，改善驾驶体验，提高行驶稳定性应用案例分析与讨论飞机设计汽车设计风力发电空气动力学在飞机设计中发挥着至关重空气动力学在汽车设计中应用广泛，通空气动力学原理应用于风力发电机叶片要的作用，例如翼型设计、机翼布局优过车身造型优化，可降低风阻，提高燃设计，以提高能量转换效率，降低发电化等，以实现飞行效率和安全性油效率，提升行驶稳定性成本总结与展望关键结论未来趋势12空气动力学是航空航天、汽车随着科技发展，空气动力学将等领域的重要基础学科，对飞与计算流体力学、人工智能等机、汽车等飞行器和交通工具技术深度融合，推动飞行器设的设计至关重要计更加高效、智能应用前景3空气动力学将在可持续发展、节能减排、提高飞行器性能等方面发挥越来越重要的作用课程作业与考核课堂参与课后作业期末考试。