2015复习提纲空气动力学

《风力机空气动力学》2015年复习提纲第一章流体静力学连续介质假设、理想流体、流体微团、流体的基本物理属性（易流性、压缩性与弹性、粘性）。流体力学中作用力的分类和表达、理想流中压强的定义及其特性，静止流体微团的力学分析。标准大气（对流层、平流层）：大气参数随高度的变化参见作业习题第二章流体运动学与动力学基础两种描述流场的方法的区别与特点，欧拉法下加速度的表达和意义；流体微团的几种变形和运动及其数学表达，流体微团的运动分解（平动、线变形、角变形、角速度）；定常流动与非定常流动，有旋流动与无旋流动，系统与控制体的概念；微元控制体分析方法，微分形式的连续方程、欧拉方程和能量方程的表达和意义；积分形式的质量方程、动量方程和能量方程的表达和意义，并会用它们解决实际工程问题；掌握伯努利方程的表达、意义、条件和应用；迹线、流线、流管、散度、旋度、位函数、流函数、环量、涡线、涡强等概念、表达、意义及其相互之间的关系。例2.5在海平面上，直匀流流过一个机翼，远前方直匀流的静压p＝p∞＝101200牛/米2，流速=100米/秒。已知A，B，C三点的速度分别是VA=0，VB=150米/秒，VC=50米/秒，空气在海平面的ρ=1.255千克/米3。假设流动无旋，求A、B、C三点的压强。解：流动是无旋的，伯努利常数全流场通用。根据远前方的条件得这就是通用于全流场的常数。于是220/107325)100(2225.1101200米牛p220220220/10579415311073252/93825225006125.01073252/1073252米牛米牛米牛CCBBAAVppVppVpp参见作业习题2-1有不可压流体作定常运动，其速度场为{𝑢=𝑎𝑥𝑣=𝑎𝑦𝑤=−2𝑎𝑧式中a为常数。求：(1)线变形率、角变形率；(2)流场是否有旋；(3)是否有速度位函数存在第三章低速平面位流平面不可压位流中位函数与流函数的性质与关系；平面不可压位流的基本方程即拉普拉斯方程的特点、叠加原理和边界条件；点源、点汇、点涡流动，偶极流，均匀直匀流；直匀流与偶极子和点涡的叠加（流体绕过圆柱体的无环和有环流动）。儒可夫斯基升力定律。作业习题1、a.试写出从–y流向+y，速度值为V∞的直匀流的位函数。b.试写出位于原点的点汇的位函数。c.试写出位于原点，顺时针旋转的点涡的位函数。第四章粘性流体动力学基础流体的粘性及其对流动的影响，粘性流体的应力状态；广义牛顿内摩擦定理（本构关系），粘性流体运动方程---N-S方程；层流与湍流的特征与区别；量纲分析和相似准则（常用相似准则数）。量纲一致性原则：任何一个物理方程中各项的量纲必定相同，用量纲表示的物理方程必定是齐次性的。流体的力学相似主要包括几何相似、运动相似和动力相似。流体的几何相似是流动力学相似的前提条件，动力相似是决定运动相似的主导因素，运动相似是几何相似和动力相似的表现。流动的相似条件：相似的流动都属于同一类流动，它们都应为相同的微分方程组所描述。服从相同微分方程组的同类流动由无数个，从这无数同类流动中单一地划分出某一具体流动的相似条件是它的单值条件。由单值条件中的物理量所组成的相似准则数相等。参见作业习题第五章边界层理论及其近似边界层概念、意义和特征，边界层近似、边界层的量级、边界层的各种厚度定义及其意义；边界层微分方程及其所表示的基本性质，量级分析方法、惯性力与粘性力的量级关系、压强梯度特点；卡门动量积分关系式（平板）及其边界层近似解法（保尔豪森法）；边界层的分离现象、本质以及边界层在不同压力梯度区的速度分布特征。边界层的基本特征有：与物体的长度相比，边界层的厚度很小；边界层内沿边界层厚度的速度变化非常急剧，即速度梯度很大；边界层沿着流体流动的方向逐渐增厚；由于边界层很薄，因而可近似地认为，边界层中各截面上的压强等于同一截面上边界层外边界上的压强；在边界层内粘滞力和惯性力是同一数量级的；边界层内流体的流动与管内流动一样，也可以有层流和紊流两种流动状态。摩擦阻力是作用在物体表面的切向应力在来流方向上的分力的总和。为了减小摩擦阻力，应该使物体上的层流边界层尽可能长。粘性力阻滞流体质点运动，使流体质点减速失去动能，在一定的逆压梯度下，来流与边界层发生分离，在分离点后出现低压区，大大增加了绕流物体的阻力，这就是压差阻力。压差阻力是作用在物体表面的压强在来流方向上的分力的总和。为减小压差阻力，采用产生尽可能小的尾涡区的物体外形。参见作业习题第6章低速翼型NACA翼型及参数的定义、名称、表示符号及方位，迎角、压力中心、气动中心、升力及阻力系数定义及公式；翼型边界层的特点，影响机翼边界层分离点位置及翼型阻力的因素；翼型升力的形成原因，翼型剖面形状对其升力和阻力的影响，翼型的气动力特性（变化曲线）；翼型的低速绕流图画、气动特性、翼型失速和分离流动，零升迎角、失速迎角、翼型升力系数曲线；库塔－儒可夫斯基环量，库塔-儒可夫斯基后缘条件。薄翼理论；实用低速翼型的气动特性（薄翼型的升力特性），升阻比；无穷远处均匀来流，绕翼型流动，在尾部锐缘点处产生一个逆时针的漩涡，均匀来流无涡，因此在翼型表面形成一个与尾涡大小相当，方向相反，顺时针漩涡，使上表面流速加快，下表面流速减慢，由伯努利方程，上表面流速减慢，压力增大，上下表面压差产生升力。参见作业习题及下述两个习题6-1一架低速飞机的平直机翼采用NACA2415翼型，问此翼型的𝑓̅，𝑥𝑓̅̅̅和𝑐̅各等于多少？6-2翼型升力系数的一般公式为0()llCC说明影响lC，0的主要因素。第七章风力机空气动力学7.1基本理论7.2风力机的空气动力设计7.3风力机性能7.4风力机载荷动量理论（风轮功率系数、贝兹极限）、叶素理论，叶素－动量理论（尖速比）；计算风轮旋转面中的轴向诱导因子和周向诱导因子，从而计算作用在风轮叶片上的力和力矩，风力机后的尾涡模型；葛劳渥特修正；普朗特叶尖损失因子修正；叶片的几何参数，叶片的长度、弦长、面积、平均几何弦长、扭角等定义与表达；风轮的几何参数，风轮叶片数、直径、面积、锥角、仰角、偏航角、实度、高度等表述；风轮空气动力设计时须确定的技术参数，如叶片数、风轮直径、额定风速、叶尖速比、风轮转速等；叶片的翼型及几何参数、空气动力特性，风力机叶片设计方法与调整；风力机的功率特性、转矩特性和轴向力特性，表征风力机性能的各项参数和计算方法；叶片三维边界层的影响及叶片动态失态，理解失速延迟模型和失速动态模型对动量－叶素理论的修正；叶片动态入流效应；作用在风力机上的主要载荷，风力机载荷特性（叶片）。经典的叶素动量理论做的假设：（1）空气是完全气体，密度均匀，不可压缩；（2）空气是理想流体，即忽略空气粘性；（3）径向性质相互独立，即在某个单元发生的情况不影响其他单元；（4）每个环形单元中，叶片作用在流体上的力是定常的；（5）叶片数无穷。影响翼型空气动力特性：前缘半径（大），相对厚度（大），最大厚度的弦向位置，后缘厚度。翼型布置（空气动力特性好，连续变化）：在叶片尖部（0.95倍半径附近）选用薄翼，以保证具有较低的最小阻力系数和较大的最大升力系数，减少叶片尖部的弦长以控制风轮尖部的负荷；在主要功率产生区（0.75倍半径附近），对风轮的风能利用系数贡献最大，应选用中等厚度翼型，具有最大的升阻比，以保证风力机具有较高的风能利用系数；在叶片根部（0.3倍半径附近），应选用厚翼型，以保证结构强度要求，并具有较高的最大升力系数。影响最大升力系数的因素很多，主要是翼型的相对弯度、最大弯度位置、厚弦比、前缘半径等。相对弯度大的机翼，其升力系数大，这里因为相对弯度大，上下翼面流管的变化大，上下压力系数的差值就大。例1、例2作业习题7—1推导最大风能利用系数(贝茨极限)。7－2有一个螺旋桨式水平轴风力机，其在额定风速20m/s时的额定功率为3MW，风轮支径为60m，试求该风力机的功率系数。风力机的传动效率ηi＝0.9，做功效率ηk＝0.9，空气密度ρ＝1.29kg/m3。7－3水平抽风力机在风速15m/s时输出功率为1.5Mw，风力机的总体效率为0.3，当风轮转速为22rPm时，求风轮的直径和尖速比。空气密度ρ＝1.29kg/m3。