空气动力学第二章第二部分
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空气动力学及飞行器设计研究随着现代科技的不断发展,飞行器的设计和研究已经成为一个重要的领域。
在这个领域中,一个非常关键的概念就是空气动力学。
空气动力学是研究空气对于物体运动和行为的影响的科学,而在飞行器设计中,空气动力学扮演了非常重要的角色。
飞行器的设计研究可以分为三个主要部分。
第一部分是空气动力学的基础研究,这部分研究的内容包括流体力学、气动力学、热力学等等;第二部分是飞行器设计的初步设计,这部分研究的内容包括飞行器的大小、结构、动力装置、飞行系统等;第三部分是飞行器的制造和测试,这部分研究的内容包括材料和结构的选择、试飞的设计和执行等。
空气动力学是飞行器设计的基础。
在空气动力学研究中,主要涉及到气体的流动规律、空气对物体的作用和反作用等。
这些规律和知识对于飞行器设计者来说是无比重要的。
通过对空气动力学的研究,可以设计出更加安全、更加稳定和更加高效的飞行器,同时还能够为退役飞行器的改进提供技术支持。
在空气动力学研究中,一个非常重要的部分就是气动力学。
气动力学是研究空气对物体运动和行为的影响以及它们的相互关系的学科。
通过气动力学研究,可以得到飞行器在不同的空气环境中的稳定性和可控性,并且可以确定飞行器所需的动力装置大小和能力。
另外,一个非常重要的部分是热力学。
热力学是研究能量转移和热效率的学科。
在飞行器中,由于需要考虑到机身温度和引擎性能等问题,因此热力学也是一个非常重要的领域。
通过热力学研究,可以确定引擎的最大推力和热效率,同时还可以确定降温系统和热量传递机制等。
初步设计是飞行器设计过程中的第二步。
在初步设计过程中,需要确定飞行器的大小、形状、结构和系统等,以及决定所需的动力装置。
这些设计决策的影响是非常重要的。
例如,飞行器的大小和形状会影响其空气动力特性,而结构和系统方案则会影响飞行器的重量、维护性和成本。
在飞行器制造和测试环节中,同样需要仔细斟酌。
制造过程中需要选择高强度和高温抗性的材料,以便保证飞行器的性能并确保其正确性。
空气动力学基础第二版课程设计介绍该课程设计是基于《空气动力学基础》第二版的学习内容设计的,目的是让学生深入了解空气动力学基础的知识,并能够应用所学知识解决实际问题。
课程目标通过学习本课程,学生应该具备以下能力:1.掌握基本的空气动力学原理和理论知识;2.熟练运用空气动力学的数学模型进行计算;3.能够应用所学知识解决实际的工程问题;4.具备独立思考和解决问题的能力。
课程内容本课程设计主要包含以下几个部分:第一部分:空气动力学基础本部分主要介绍空气动力学的基本原理,包括流体静力学和流体动力学的基本概念,探讨空气动力学方程以及流动的基本特性。
第二部分:空气动力学数学模型本部分主要介绍空气动力学的数学模型,包括欧拉方程、纳维-斯托克斯方程和边界层方程等,同时介绍经典的空气动力学问题的数学模型,如理想气体状态方程等。
第三部分:空气动力学实际应用本部分主要介绍空气动力学在实际工程中的应用,包括空气动力学设计、飞行器设计、风电场等。
课程设计任务本课程设计的任务如下:任务一:流体静力学和流体动力学的基本概念1.研究流体静力学和流体动力学的基本概念;2.掌握流体静力学和流体动力学的数学模型和理论;3.熟悉流体静力学和流体动力学的应用。
任务二:欧拉方程、纳维-斯托克斯方程和边界层方程1.研究欧拉方程、纳维-斯托克斯方程和边界层方程等数学模型;2.掌握欧拉方程、纳维-斯托克斯方程和边界层方程等的理论和应用;3.熟悉欧拉方程、纳维-斯托克斯方程和边界层方程等的应用案例。
任务三:空气动力学的实际应用1.研究空气动力学在实际工程中的应用;2.掌握空气动力学在飞行器设计、风电场等方面的应用;3.熟悉空气动力学在流体机械和环境保护等领域的应用案例。
评分标准学生作业的评分标准如下:1.任务一、任务二、任务三的完成情况每项占1/3分数;2.对于每个任务的完成情况,将分别考虑其实现的难度和实现的效果;3.作业提交时,应包含文本说明,代码实现,结果分析和评估等。
流体力学Fluid Mechanics第一部分张震宇南京航空航天大学航空宇航学院简介⏹空气动力学 (Aerodynamics) ⏹课程类别:必修课⏹面对航空类本科生的专业基础课程⏹42学时第一部分课程结构⏹预备知识⏹偏微分方程、微积分、矢量分析、场论⏹守恒律、热力学定律⏹基本原理⏹空气动力学、流体力学⏹无粘不可压流动⏹Bernoulli 方程、位流理论、基本解、K-J定理⏹无粘可压流动⏹热力学定律、等熵流动、激波理论、高速管流第二部分课程结构(此处从略)⏹低速翼型理论⏹几何特点、K-J后缘条件、薄翼型理论⏹低速机翼气动特性⏹B-S定律、升力线(面)理论⏹亚音速空气动力学⏹小扰动线化理论、薄翼型(机翼)气动特性⏹超音速空气动力学⏹薄翼型线化理论、跨音速流动、高超音速流动⏹计算流体力学(CFD)⏹网格生成、控制方程解算背景阅读⏹徐华舫,《空气动力学基础》,北航版⏹H. Schlichting, Boundary layer theory⏹J.D. Anderson, Introduction to Flight⏹E.L. Houghton & P.W. Carpenter, Aerodynamics for Engineering Students⏹G.K. Batchelor, An Introduction to Fluid Dynamics⏹D.J. Tritton, Physical Fluid Dynamics⏹/第一章流体力学的基础知识⏹基本任务和研究方法⏹流体力学及空气动力学发展概述⏹流体介质的物理特性⏹气动力、力矩及气动力系数⏹矢量和积分⏹控制体、流体微团以及物质导数研究流体运动的科学研究流体运动的科学研究流体运动的科学Tacoma Narrows Bridge, 1940研究流体运动的科学流体力学的基本任务⏹研究对象:流体和固体间的相对运动⏹探寻流体运动的基本规律⏹研究流体与固体之间的相互作用⏹应用流体力学规律解决工程技术问题⏹预测流体力学新的发展方向应用领域⏹飞行器、船舶设计⏹建筑设计、土木工程⏹热能工程、传热学⏹热化学流体力学⏹生物流体力学⏹磁流体力学主要研究方法⏹实验研究⏹理论分析⏹数值计算实验设备风洞wind tunnel激波管 shock tube 水洞water tank实验测试技术⏹机械⏹光、电、声、热流动显示技术实验研究方法⏹实验结果较为真实、直接、可靠⏹限制因素⏹模型尺寸限制⏹实验边界的影响⏹测量过程的干扰⏹大量的人力和物力耗费理论分析方法⏹流动的模型化——问题的抽象表达⏹找出主要因素,忽略次要因素⏹控制方程的建立与解算⏹后处理和分析⏹未计及因素的修正⏹有助于揭示问题的内在规律⏹仅适用于简单问题数值计算方法⏹求解方法多样化⏹有限差分(FDM)、有限元(FEM)、有限体积方法(FVM)、谱方法⏹对常规问题耗费相对较小⏹可用于解算复杂流场的流动⏹精度、稳定性、模型合理化流体力学发展概述(-1800)Daniel I. Bernoulli (1700-1782)流体力学发展概述(-1800)Leonhard Paul Euler (1707-1783) Jean le Rond d'Alembert (1717–1783)流体力学发展概述(1800- )Siméon-Denis Poisson (1781 –1840) Pierre-Simon, marquis de Laplace (1749 - 1827)流体力学发展概述(1800- ) William John Macquorn Rankine (1820–1872)Potential/flow function Singular method/shock relations Hermann Ludwig Ferdinand von Helmholtz (1821 –1894) Vortex theory ,Hydro-stability流体力学发展概述(1800- )Claude-Louis Navier (1785 –1836) Sir George Gabriel Stokes,1st Baronet FRS (1819–1903)流体力学发展概述(1800- )Osborne Reynolds (1842–1912) Nikolai Y. Zhukovsky (1847 –1921) K-J theorem流体力学发展概述(1800- )Martin Wilhelm Kutta (1867-1944) Ludwig Prandtl (1875 –1953)流体力学发展概述(1800- )Walter Tollmien(1900-1968)http://www.cordula-tollmien.de/genealogie.html Hermann Schlichting (1907-1982)流体力学发展概述(1800- )Theodore von Kármán钱学森(1911- )(1881 –1963)流体介质的物理特性⏹连续介质假设⏹流体的密度、压强和温度⏹完全气体状态方程⏹压缩性、粘性和传热性⏹流体的模型化连续介质假设⏹分子平均自由程⏹自由分子流/非连续流动⏹低密度流动⏹连续流动 continnum flow (l<<L) ⏹连续介质假设流动相关的物理量⏹密度Density⏹压强Pressure⏹温度Temperature⏹速度Velocity流体的密度⏹流体微团 ⏹在连续介质的前提下流场中任取一点B ⏹其密度为dvdm dv 0lim →=ρdv 微团体积 dm 微团质量流体的压强⏹气体分子在碰撞或穿过取定的表面时,单位面积上所产生的法向力 ⏹该点压强为dA 微团面积元的大小 dF dA 一侧的法向力 dAdF p dA 0lim →=流体的温度⏹气体温度T 的热力学意义 ⏹高温气体的分子和原子高速随机碰撞,而在低温气体中,分子随机运动相对缓慢些kT KE 23 KE 气体分子平均动能 k Boltzmann 常数流体的速度 ⏹不同于刚体力学的概念 ⏹流体在空间中某点B 的速度就是流体微元通过点B 时的速度 Streamline ABFluid element完全气体状态方程 ⏹一般气体状态方程 ⏹完全气体 ⏹分子间作用力忽略不计 ⏹假设分子间仅存在完全弹性碰撞且只有在碰撞时才发生作用 ⏹微粒的实有总体积和气体所占空间相比忽略不计 ⏹完全气体状态方程:),(T p p ρ=RTp ρ=流体的压缩性 ⏹压缩性 ⏹体积弹性模量 ⏹一定质量的气体,体积与密度成反比V dV dp E /-=ρρd dp E =V dV d -=ρρ流体的粘性⏹流体分子的不规则热运动⏹质量和动量的交换⏹牛顿粘性定律nu∂∂=μτ流体的粘性 ⏹运动粘性系数 kinematic viscosity ⏹适用于空气的萨特兰公式 CT C T ++⎪⎭⎫ ⎝⎛=15.28815.2885.10μμρμν=空气粘柱实验模型(卧式转盘)nvvA A空气粘性实验流体的粘性流体的粘性流体的热传导特性 ⏹Fourier 公式 ⏹单位时间内通过单位面积所传递的热量与沿热流方向的温度梯度成正比⏹导热系数n T q ∂∂-=λλ流体流动的不同范畴⏹Mach数⏹亚、跨、超、高超音速⏹可压缩性⏹不可压、可压⏹粘性⏹无粘、有粘⏹热传导⏹绝热流动、等温流动理想流体模型⏹理想流体⏹无粘⏹典型适用情况⏹升力问题⏹失效范围及原因不可压流体模型⏹密度无变化⏹弹性模量极大⏹热力学特性可单独考虑⏹进一步的简化模型⏹无粘不可压位流⏹其它流动⏹无粘可压流动⏹不可压粘性流动绝热流动⏹不考虑热传导⏹导热系数为零综合讨论粘性流动无粘流动可压流动不可压流动非绝热流动非绝热流动非定常流动定常流动=λ=μconst=ρ=∂∂t作用于航空器上的气动力作用于航空器上的气动力翼型族 翼型族。
对《Fundamentals of Aerodynamics》第5版的介绍与评价韩智明(南开大学数学科学学院信息与计算科学专业)张立彬(教育部南开大学外国教材中心)由John D.Anderson,Jr编写的《Fundamentals of Aerodynamics》(《空气动力学基础》)自1984、1991、2001、2007年由McGraw-Hill公司出版前四版以来,已于2011年由该公司再度出版第5版。
本书利用丰富的工程实例讲解了空气动力学基本原理、无粘性不可压缩流、无粘性可压缩流、粘性流体等基本空气动力学理论,内容全面、表述简洁、插图精美、实例典型,是快速学习和掌握空气动力学基本原理的优秀入门教材和参考书。
一、主编简介John D.Anderson,Jr教授为美国马里兰大学教授,他毕生致力于空气动力学理论和实验的研究和教学工作,编写了《Introduction to Flight》、《Fundamentals of Aerodynamics》、《Hypersonic and High Temperature Gas Dynamics》、《Computational Fluid Dynamics:The Basics with Applications》、《Aircraft Performance and Design》等十多部有关空气动力学的优秀著作。
1999年John D.Anderson,Jr教授于马里兰大学退休并被任命为该校的名誉教授,现任美国国家航空航天博物馆空气动力学方面的馆长。
二、教材的总体架构与内容简介《Fundamentals of Aerodynamics》全书共20章,主要包括空气动力学基本原理和方程、无限长和有限长翼型上的不可压缩流、三维不可压缩流、正常激波、斜激波及其扩散、流过喷嘴、散射器和风洞的可压缩流、翼型上亚声速可压缩流的线性理论、非线性超声速流的数值求解理论、超高声速流体元、库埃特流、边界层流、层流边界层、湍流边界层和Navier-Stokes方程等空气动力学问题。
飞行的秘密研究空气动力学与飞行器设计飞行的秘密:研究空气动力学与飞行器设计飞行一直以来都是人类梦寐以求的能力,它给我们带来了无尽的想象和可能性。
从伊卡洛斯的传说到莱特兄弟的飞行器,再到今天的现代航空技术,空气动力学与飞行器设计无疑扮演着至关重要的角色。
本文将探讨飞行的奥秘,深入研究空气动力学的基本原理,并介绍飞行器的设计理念和创新。
第一部分:空气动力学的基础在探索飞行的秘密之前,我们先来了解一下空气动力学的基础知识。
空气动力学是研究空气与物体相互作用的学科,通过分析和模拟空气流动的行为,可以揭示出物体在空气中运动时所受到的力和阻力。
例如,当一架飞机在高速飞行时,它所受到的空气阻力会迅速增加,而它所产生的升力则能够使其维持在空中。
在空气动力学中,有几个重要的力学概念需要了解。
首先是升力和重力,升力是使物体向上运动的力,而重力则是向下的力。
在飞行过程中,飞行器需要产生足够的升力来抵消重力,以便保持在空中。
其次是阻力,阻力是与运动物体在空气中摩擦所产生的力,它会影响飞行器的速度和稳定性。
最后是推力,推力是推动飞行器前进的力,通常由引擎提供。
第二部分:飞行器的设计理念在空气动力学的基础上,我们来探讨一下飞行器的设计理念。
飞行器的设计要考虑到多个因素,包括空气动力学性能、结构强度、操纵性和燃料效率等。
其中,空气动力学性能是指飞行器在不同速度和高度下的飞行特性,它直接决定了飞行器的飞行能力和稳定性。
为了提高飞行器的空气动力学性能,设计者通常会采用流线型的外形和翼型。
流线型外形可以减少阻力,使飞行器更加流畅地穿过空气。
而翼型则是为了产生升力和控制飞行姿态,不同的翼型会对飞行器的性能产生不同的影响。
此外,飞行器的结构强度也是设计过程中需要考虑的重要因素,它决定了飞行器是否能够承受各种力和振动的作用。
第三部分:飞行器的创新与发展随着科技的不断进步,飞行器也在不断创新与发展。
先进的材料和技术的应用使得飞行器的性能得到了显著提升。
关于⾼速动车组空⽓动⼒学⼏点计算⽅法第⼀章绪论第⼀节研究的意义从1964年10⽉1⽇的0系⾼速列车投⼊东海道新⼲线⾼速铁路营业运⾏以来,⽇本新⼲线⾼速列车已有30多年的发展历史了,相继研制开发了100系、100N系、200系、El(Max)系、400系、300系、500系等⾼速列车,并为21世纪最⾼运⾏营业速度30Okm/h-35Okm/h,开发了WIN350、300X、STAR2l等3种⾼速试验列车,⽇本⾼速列车是在既有线旅客列车技术基础上逐步发展起来的。
1872年,⽇本修建的第⼀条1067mm轨距的铁路,也是采⽤动⼒集中的蒸汽机车牵引;后来在京都地区出现了城市地⾯有轨电车;1910年出现了电动车组,主要在⾼速铁路线上运⾏;到1930年-1940年,电动车组也仅仅在有限的铁路线上运⾏。
这种电动车组主要在40km-5Okm范围的短途运输中采⽤,⽽长途的铁路运输主要还是采⽤蒸汽机车牵引。
战后,⽇本东海道铁路运输量急剧增长,旅客列车严重超员,运输压⼒增⼤。
到1951年,东京-滨松间已开通电动车组运⾏,但东京-⼤扳仍采⽤机车牵引。
随着车辆的轻量化、电机技术的发展和转向架悬挂技术的发展等,均促使电动车组技术的发展。
⽬前,伴随着列车提速引起的空⽓动⼒学及空⽓声学问题作为实际解决的⼯程问题⽽倍受关注。
随着列车的提速,很多在低速情况下可以忽略的⼯程问题突现出来了,⽐如当列车速度达到200km/h时,空⽓阻⼒占全部运⾏阻⼒的75%以上:另外由于较⾼的运⾏速度带来的较⼤的空⽓作⽤⼒会对列车的诸如倾覆稳定性、运⾏稳定性、安全线距、周围建筑物和环境噪声,及会车压⼒波和进出隧道及隧道会车等带来了较⼤的影响,即这些空⽓动⼒学噪⾳、振动、列车交会引起的脉冲压⼒、隧道出⼝的脉冲压⼒波和列车内部乘客的⽿鸣等是列车提速受限的主要因素。
[1]现在,发展⾼速列车是各国的⼀个主要战略,许多国家都在运营⾼速列车,如德国城市快车ICE、⽇本新⼲线和法国⾼速列车TGV;⽽且,许多国家例如南韩和中国正在建设⾼速列车。