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空气动力学基础课件北京航空航天大学航空科学与工程学院流体力学研究所2004年9月空气动力学基础主要内容FundamentalsofAerodynamics第零章绪论第一章流体的基本属性与流体静力学第二章流体运动学与动力学基础第三章不可压缩无粘流体平面势流第四章粘性流体动力学基础第五章边界层理论及其近似第六章可压缩高速流动基础基本要求1、必须按时听课，上课认真听讲2、坚持考勤制度，有事必须请假3、对缺课1/3的同学不得参加考试4、按时独立完成作业5、平时成绩（作业和出勤）占10-15%6、必须按时参加实验课、完成实验报告第0章绪论0.1物质形态与流体力学定义0.2空气动力学的研究对象0.3空气动力学的发展进程简介0.4空气动力学的分类0.5空气动力学的研究方法0.6量纲与单位的概念0.1物质形态与流体力学定义物质存在的三种状态：固态----相对应的为固体液态----相对应的为液体气态----相对应的为气体由物质内部微观结构、分子热运动、分子之间的作用力决定的。固体---具有固定的形状和体积。在静止状态下，可以承受拉力、压力和剪切力。液体---具有固定的体积，无固定的形状。在静止状态下，只能承受压力，几乎不能承受拉力和剪切力。0.1物质形态与流体力学定义0.1物质形态与流体力学定义气体---无固定的体积，也无固定的形状。在静止状态下，只能承受压力，几乎不能承受拉力和剪切力。0.1物质形态与流体力学定义流体---液体和气体统称（具有的特点是易流动性,在静止状态下不能承受剪力。）力学----研究物体处于平衡和机械运动规律及其应用的学科称为力学。固体力学---研究固体处于平衡和机械运动规律及其应用的学科。流体力学---研究流体处于平衡和机械运动规律及其应用的学科。0.2空气动力学的研究对象空气动力学是流体力学的一个分支，它是从流体力学发展而来。空气动力学是物理学的一个分支。空气动力学---研究空气处于平衡和机械运动规律及其应用的学科。0.2空气动力学的研究对象相对飞行原理（空气动力学实验原理）当飞行器以某一速度在静止空气中运动时，飞行器与空气的相对运动规律和相互作用力，与飞行器固定不动而让空气以同样大小和相反方向的速度流过飞行器的情况是等效的。0.2空气动力学的研究对象相对飞行原理，为空气动力学的研究提供了便利。人们在实验研究时，可以将飞行器模型固定不动，人工制造直匀气流流过模型，以便观察流动现象，测量模型受到的空气动力，进行试验空气动力学研究。在理论上，对飞行器空气绕流现象和受力情况进行分析研究时，可用固接在飞行器上的观察者所看到的绕流图画进行研究，只要远前方气流速度V是常数，空气流过物体的绕流图画就不随时间变化。风洞机翼绕流流场0.3空气动力学的发展进程简介1、公元前的认识（浮力定理）2、公元以后至17世纪的定性描述3、17-20世纪理想流体力学的发展4、19-20世纪粘性流体力学的发展5、空气动力学的发展1、公元前的认识（浮力定理）在中国的春秋战国时期（公元前770-221），中国先农开始兴建大型水利工程，包括灌溉工程、运河工程和堤防工程。当时比较大的灌溉工程有：芍陂、章水十二渠、都江堰和郑国渠。其中，芍陂和都江堰历经两千多年，至今仍再发挥作用。当时对水流运动特性已有足够的认识。神农都江堰郑国渠阿基米德简介古希腊学者阿基米德（Archimedes）(公元前287----212），意大利西西里岛的叙拉古人，其父亲是天文学家。阿基米德在数学、物理学、天文学等方面做出了重要贡献。阿基米德是叙拉古国王希龙二世的亲戚，为国王鉴定过王冠。主要论著：论平板的平衡、论浮体阿基米德是整个历史上最伟大的数学家之一，后人对阿基米德给以极高的评价，常把他和牛顿、高斯并列为有史以来三个贡献最大的数学家。发现体积的数学家，发现了水的浮力原理。阿基米德简介阿基米德的名著《论浮体》是公元前250年最早的关于流体力学的著作。流体静力学的基本原理（水的浮力原理），即物体在液体中减轻的重量，等于排去液体的重量，后来以“阿基米德原理”著称于世，并由此开创了流体静力学的研究。2、公元以后至17世纪的定性描述«Eddas文学集»纪录了一个源于五世纪北欧的古代神话故事。故事说的是有一个以制造兵器为职业的铁匠Wayland，他制造了一套可以穿在身上的飞行翅膀。他是一个非常邪恶的人，他把他的仇人提在空中，然后从高处丢下来，把仇人摔死。根据传说，Wayland制成他的第一套飞行翅膀后，就开始同他的兄弟Egil一同进行实验，也就是作一次试飞。2、公元以后至17世纪的定性描述他兄弟问他，“我应当怎么办呢？我在这方面一点也不懂”。Wayland缓慢地强调说道：“顶着风飞，你就容易升高向上，以后，当你下降的时候，要顺着风飞扬”。Egil按照他的话穿好羽毛衣裳，并且立刻高飞在空中，迅速得象鸟一样，忽高忽低，敏捷异常。但是当他要向地面降落时，转了个身，立即随风飞翔，结果头朝下，在他落下来的时候，费了好大的事，才保住脖子没受伤。于是Egil问，“这怎么啦？我必须承认，你的飞翼起飞是好的，但降落不好！”他再加上一句，“假使飞翼的确好的话，我就愿意要它啦。”Wayland答道：“我告诉你的错了。记住这个，每一只能够飞的鸟都顶着风上升同时也这样降落”。达.芬奇简介意大利文艺复兴时期的科学和艺术全才DaVinci(1452-1519，他是一位名律师和农家女子的私生子，小时侯虽然没有受过正式的教育，主要在家随父亲读书自学，但从小勤奋学习，才智过人，思维敏捷，很快在许多方面做出了令人惊叹的成绩。设计过升降机、潜水艇、研究过鸟的飞行、注重实验。他在一副关于紊流的名画中写到：乌云被狂风卷散撕裂，沙粒从海滩上扬起，树木弯下了腰。3、17-20世纪理想流体力学的发展牛顿简介英国著名的数学家和物理学家（1643-1727）。牛顿出生于英国林肯郡伍尔索普乡村，是一个遗腹子，3岁母亲改嫁，将他留给外祖父母。1661年进入剑桥三一学院学习，1665年大学毕业，获得学士学位。1667年成为三一学院研究员，次年获得文学硕士学位。1669年牛顿的数学老师辞职，推举牛顿接替数学教授。1686年完成“自然哲学之数学原理”，提出了流体运动的内摩擦定律。1695年出任造币厂督办。1701年辞去三一学院教职，1704年出版“光学”，晚年一直担任英国皇家学会主席，从事圣经的研究。后人评价：牛顿是人类史上最伟大的天才：在数学上，发明了微积分；在天文学上，发现了万有引力定律，开辟了天文学的新纪元；在力学上，总结了三大运动定律，建立了牛顿力学体系；在光学上，发现了太阳光的光谱，发明了反射式望远镜。3、17-20世纪理想流体力学的发展莱布尼慈简介莱布尼慈，德国著名的哲学家和数学家（Leibniz，1646-1716）。1646年7月生于莱比锡一个名门世家，其父亲是一位哲学教授。莱布尼慈从小好学，一生才华横溢，在许多领域做出不同凡响的成就。在数学方面最大的成就是发明了微积分，今天微积分中使用的符号是莱布尼慈提出的。后来为了与牛顿争发明权问题，他们之间进行了一场著名的争吵。莱布尼慈自定发明权时间1674年，牛顿1665-1666年。这场争论使英国与欧洲大陆之间的数学交流中断，严重影响了英国数学的发展。3、17-20世纪理想流体力学的发展微积分问世后，流体成为数学家们应用微积分的最佳领域。1738年DanielBernoulli出版了“流体力学”一书，将微积分方法引进流体力学中，建立了分析流体力学的理论体系，提出无粘流动流速和压强的关系式，即Bernoulli能量方程。1755年瑞士数学家欧拉建立了理想不可压流体运动的微分方程组（欧拉方程）。六年后，拉格朗日引入流函数的概念，建立了理想流体无旋运动所满足的动力学条件，提出求解这类运动的复位势法。伯努利简介伯努利，D．(DanielBernoulli1700～1782)瑞士物理学家、数学家、医学家。1700年2月8日生于荷兰格罗宁根。著名的伯努利数学家族中最杰出的一位。他是数学家J．伯努利的次子，和他的父辈一样，违背家长要他经商的愿望，坚持学医，他曾在海得尔贝格、斯脱思堡和巴塞尔等大学学习哲学、论理学、医学。1721年取得医学硕士学位。伯努利在25岁时(1725)就应聘为圣彼得堡科学院的数学院士。8年后回到瑞士的巴塞尔，先任解剖学教授，后任动力学教授，1750年成为物理学教授。在1725～1749年间，伯努利曾十次荣获法国科学院的年度奖。1782年3月17日，伯努利在瑞士巴塞尔逝世，终年82岁。欧拉简介欧拉LeonhardEuler（1707－1783年）瑞士数学家．欧拉是世界史上最伟大的数学家之一．他从19岁就开始著书，直到76岁高龄仍继续写作．几乎每个数学领域，都可以看到欧拉的名字．如初等几何的欧拉线、多面体的欧拉定理、立体解析几何的欧拉变换公式、四次方程的欧拉解法、数论中的欧拉函数、微分方程的欧拉方程、级数论中欧拉常数、变分学的欧拉方程、复变函数论欧拉公式等．欧拉晚年不幸双目失明，在失明后的17年里，他还口述著了几本书和约400篇论文．达朗贝尔简介1743年在《动力学》一书中，达朗贝尔提出了达朗贝尔原理，它与牛顿第二定律相似，但它的发展在于可以把动力学问题转化为静力学问题处理，还可以用平面静力的方法分析刚体的平面运动，这一原理使一些力学问题的分析简单化，而且为分析力学的创立打下了基础。1744年达朗贝尔提出了著名的“达朗贝尔疑题”，即不计流体粘性的话，任意形状的封闭物体，阻力都是零。达朗贝尔简介1783年10月29日，一位为人们留下了无限光明的科学巨星悄然远逝。这一天，伟大的达朗贝尔永远的离开了世界，永远的离开了他为之奉献终生的科学。达朗贝尔(JeanLeRondd‘Alembert,1717-1783)法国著名的物理学家、数学家和天文学家，一生研究了大量课题，完成了涉及多个科学领域的论文和专著，其中最著名的有8卷巨著《数学手册》、力学专著《动力学》、23卷的《文集》、《百科全书》的序言等等。他的很多研究成果记载于《宇宙体系的几个要点研究》中。达朗贝尔生前为人类的进步与文明做出了巨大的贡献，也得到了许多荣誉。但在他临终时，却因教会的阻挠没有举行任何形式的葬礼。4、19-20世纪粘性流体力学的发展19世纪人们开始认识粘性流体动力学的基本问题。1826年法国工程师纳维（L.M.H.Navavier,1785~1836）将欧拉流体运动方程加以推广，加入了粘性项，导出了粘性流体运动方程。1845年爱尔兰数学家斯托克斯（S.G.G.Stockes，1819~1903)在剑桥大学从另外不同的出发点，也导出了粘性流体运动方程。现在粘性流体运动方程称为纳维-斯托克斯方程或N-S方程。NavierStockes4、19-20世纪粘性流体力学的发展雷诺在1883年试验粘性流体在小直径圆管流动时，发现实际流动有两种流态，分别称为层流和湍流，相应的阻力规律也不同，决定流态的是一个复合参数，该参数此后被称为雷诺数。1895年他导出了雷诺方程———时均流动懂得N-S方程。雷诺（OsborneReynolds，1842~1921），英国工程师兼物理学家，维多利亚大学（在曼彻斯特市）教授。4、19-20世纪粘性流体力学的发展1904年普朗特提出了边界层理论。他认识到，虽然所有的实际流体都是有粘性的，但如果流动的雷诺数很大，那么在流动中粘性力的重要性并不是到处一样的，离开物体表面很远的地方粘性力基本上不起作用，只在物面附近，一层很薄的流体(称边界层)内，粘性力才是重要的，才是必须考虑的。这样就可以把整个流动分成两部分来处理：远离物面的大部分地区可以用无粘的理论作计算，而贴近物面的一层流体的流动需要作粘流计算。这个概念之所以是突破性的，是因为有了它，无粘流的理论就可以无所顾忌地大踏步向前发展了；另一方面粘流计算限制在薄薄的边界面层内，使纳维—斯托克斯方程得以大大地简化，使许多有实用意义的问题能得到解答；这样粘性流理论也得到了一条新的发展道路。普朗特也被称为近代粘性流体力学之父。LudwigPrandtl简介Ludwig