第一章气体力学基础

教材：1.2.3.4.参考书：空气与气体动力学的任务、研究方法及发展流体静力学水力学理论流体动力学润滑理论基本任务：航空、航天、天气预报、船舶、体育运动、22v p constρ+=理想不可压流体伯努利方程空气流过飞行器外部时运动规律y L V ρ∞∞=Γ库塔儒可夫-儒科夫斯基定理假设实际黏性附面层旋涡/涡量Stokes 定理ndA Ω⋅=Γ∫y 翼梢小翼下洗速度诱导阻力有效迎角↓下洗角翼尖尾涡升力↓当地升力等效来流来流实际升力尾涡后掠机翼平直机翼n V 是产生升力/激波的有效速度后掠翼可提高产生激波的Ma cr边条涡边条翼：下表面压力>上表面压力气流旋转涡旋转涡心p 低而V 高流经部位压力低注入机翼表面气流能量推迟分离激波1V a >21V V <()120sh D mV V =−> 激波阻力7发动机气体动力学y 压气机/风扇：气体增压涡轮：气体膨胀8y 音障/音爆/音爆云正激波及阻力弱压缩波斜激波y 音障楔型体超音速运动激波及激波阻力阻力系数↑消耗3/4功率y 活塞发动机高速时螺旋桨效率低、桨尖易产生激波⇒喷气发动机y 降低波阻的超音速气动布局如后掠翼、面积率→蜂腰机身等y 音爆激波面上声学能量高度集中，这些能量让人感受到短暂而极其强烈的爆炸声。

超音速低压气流局部正激波斜激波局部亚音气流超音/亚音气流超音速气流膨胀加速压缩减速尾激波压缩减速y 音爆云激波后气体急剧膨胀降压降温潮湿天气气温低于露点水汽凝结水珠云雾y 亚燃冲压发动机进气道及扩压段斜激波及正激波拉伐尔喷管气流增压至亚音速燃烧室燃烧气流超音速喷出推力超燃冲压发动机进气道/斜激波气流增压且超音速气流超音速喷出航天空气动力学y 可压缩性黏性摩擦生热气流带走加热飞行器表面Ma=2⇒温度≈120侦察机Ma=3⇒温度y 热障结构强度↓刚度↓热能热辐射热传导气动热力学常温常压2000K<T<4000K 9000K<T 分子密度低11空气y 扑动速度均匀来流合速度合力升力推力机动性强举升/推进/悬停/快速变向等动作集于一个扑翼系统大升力利用非定常机制，其升力远高于常规飞行器，能够在低雷诺数条件下飞行。

空气动力学总结第一章流体的基本属性和流体静力学基础1.连续介质假设：根据空气微团的概念，就可以把空气看做是由空气微团组成的没有间隙的连续体。

2.一般情况下，流体只承受压力，而不承受拉力，在一定的剪切力的作用下，流体会产生连续的变形，因此静止的流体不能承受剪切力。

3.空气微团：指含有很多空气分子的很微小的一团空气，它与飞行器特征尺寸大小相比微不足道的，同时它还要包含足够多的空气分子数目，要使空气密度的平均特征值有确切的含义。

4.在研究飞行器在任何高度飞行所受的空气动力时都可以应用连续介质假设。

（X）原因：只有在对流和平流层可以5.描述流体的主要物理量有密度、温度、压强密度的物理意义：反映流体的稠密程度温度的物理意义：反映分子无规则运动平均动能的大小压强的物理意义：流体单位面积上作用力的大小三者之间的关系：P=ρRT （R 为气体常数）6.理想气体状态方程：P v =RT（对1kg 气体）P V m =R m T（对1kmol 气体）（标准状态下V m =22.414）P v=mRT =nR m T（对mkg 或nkmol 气体）R m 为摩尔气体常数，不仅与气体所处的状态无关，而且还与气体种类无关，又叫通用气体常数。

R 为气体常数，大小为287.06或287，它与所处状态无关，但随气体种类的不同而不同，气体常数和通用气体常数的关系是R m =M·R（M 为物质的摩尔质量）**上述方程中应该使用绝对压力，不能使用直接测量得出的表压****上述方程中的温度应该使用绝对温度（开氏温度）****其中P 的单位是pa 而不是hpa，标准大气压是1013.25hpa**7.不同温度单位、压强单位的换算关系：T F =9/5T+32或T=5/9（T F -32）T K =T C +273.150℃100℃32（华）212（华）273.15K 373.15K **atm 指的是大气压，标准海平面时为1atm**8.流体的压缩性：我们将流体随着压强增大而体积缩小的特性。

第一章 气体自然界中物质的聚集状态一般可分为三种：气体、液体和固体。

气体与液体均可以流动，统称为流体(fluid)；液体和固体又统称为凝聚态(condense)。

无论物质处于哪一种状态，都有许多宏观性质，如压力(pressure)p 、体积(volume)V 、温度(temperature)T 、密度(density)ρ和热力学能(thermodynamic energy)U ，等等。

对于一定量的纯物质而言，p 、V 、T 是三个最基本的性质；而混合物的基本性质还应包括组成。

由一定量纯物质组成的均相流体，p 、V 、T 中任意两个量确定后，第三个量即随之确定，此时就说物质处于一定的状态。

处于一定状态的物质，各种宏观性质都有确定的值和确定的关系。

联系p 、V 、T 之间关系的方程称为状态方程。

本章着重介绍气体的状态方程。

§1-1 理想气体状态方程1.理想气体状态方程气体的物质的量n 与压力p 、体积V 与温度T 之间是有联系的。

从17世纪中叶开始 .先后经过波义尔（Boyle R,1662）、盖-吕萨克（Gay J-Lussac J,1808）及阿伏伽德罗（A Avogadro,1869）等著名科学家长达一个多世纪的研究，测定了某些气体的物质的量n 与它们的p 、V 、T 性质间的相互关系。

得出了对各种气体都普遍适用的三个经验定律(empirical law)。

在此基础上，人们归纳出一个对各种纯低压气体都适用的气体状态方程：nRT pV = (1-1-1a)上式称为理想气体状态方程（state equations of the ideal gas ）。

式中p 的单位为Pa ，V 的单位为m 3，n 的单位为mol ，T 的单位为K 。

R 是是一个对各种气体都适用的比例常数(ratioconstant)，称为摩尔气体常数，在一般计算中，可取R=8.314 J ·mol -1·K -1。

1第一章空气动力学基础知识(总14页)-CAL-FENGHAI.-(YICAI)-Company One1-CAL-本页仅作为文档封面，使用请直接删除第四单元飞机与飞机系统第一章空气动力学基础知识大气层和标准大气地球大气层地球表面被一层厚厚的大气层包围着。

飞机在大气层内运动时要和周围的介质——空气——发生关系，为了弄清楚飞行时介质对飞机的作用，首先必须了解大气层的组成和空气的一些物理性质。

根据大气的某些物理性质，可以把大气层分为五层：即对流层(变温层)、平流层(同温层)、中间层、电离层(热层)和散逸层。

对流层的平均高度在地球中纬度地区约11公里，在赤道约17公里，在两极约8公里。

对流层内的空气温度、密度和气压随着高度的增加而下降，并且由于地球对大气的引力作用，在对流层内几乎包含了全部大气质量的四分之三，因此该层的大气密度最大、大气压力也最高。

大气中含有大量的水蒸气及其它微粒，所以云、雨、雪、雹及暴风等气象变化也仅仅产生在对流层中。

另外，由于地形和地面温度的影响，对流层内不仅有空气的水平流动，还有垂直流动，形成水平方向和垂直方向的突风。

对流层内空气的组成成分保持不变。

从对流层顶部到离地面约30公里之间称为平流层。

在平流层中，空气只有水平方向的流动，没有雷雨等现象，故得名为平流层。

同时该层的空气温度几乎不变，在同一纬度处可以近似看作常数，常年平均值为摄氏零下度，所以又称为同温层。

同温层内集中了全部大气质量的四分之一不到一些，所以大气的绝大部分都集中在对流层和平流层这两层大气内，而且目前大部分的飞机也只在这两层内活动。

中间层从离地面30公里到80至100公里为止。

中间层内含有大量的臭氧，大气质量只占全部大气总量的三千分之一。

在这一层中，温度先随高度增加而上升，后来又下降。

中间层以上到离地面500公里左右就是电离层。

这一层内含有大量的离子(主要是带负电的离子)，它能发射无线电波。

在这一层内空气温度从-90℃升高到1 000℃，所以又称为热层。

气体流体力学的基础理论及其应用引言气体流体力学是研究气体在运动和变形过程中的力学性质和规律的学科。

它是流体力学的一个分支，涉及到气体的运动、压力、速度、密度等方面的问题。

气体流体力学的基础理论是研究和描述气体流动的运动学、动力学和能量的守恒原理。

通过对气体流体力学的研究，可以获得许多实际应用的有效方法和工具，如风洞测试、航空航天、气象预测等。

1. 气体流体力学的基础概念1.1 流体的性质气体是一种流体，具有以下几个基本性质： - 无定形和无固定体积：气体具有流动性，可以自由地扩散和混合。

- 高度可压缩性：气体能够被压缩，其体积可以随着压强的变化而变化。

- 分子之间的间距较大：气体分子之间相互之间的距离较大，分子之间主要通过碰撞传递能量。

1.2 流体力学的基本方程流体力学研究气体在运动和变形过程中的力学性质和规律，其基本方程包括：1.2.1 运动学方程流体的运动学方程描述了流体的速度、加速度和位移之间的关系。

它包括： - 运动方程：描述流体介质中的质点的运动状态，与质点的加速度和速度有关。

- 运动辅助方程：描述流体介质中的质点在流动中的加速度和速度与压力、密度和温度的关系。

1.2.2 动力学方程动力学方程描述了流体在运动和变形过程中的力学性质和规律。

它包括： - 质量守恒方程：描述了单位时间内通过单位面积的流体质量的变化与流入流出的质量流量之间的关系。

- 动量守恒方程：描述了单位时间内通过单位面积的动量的变化与流入流出的动量流量之间的关系。

- 能量守恒方程：描述了单位时间内通过单位体积的能量的变化与流入流出的能量流量之间的关系。

2. 气体流体力学的应用领域气体流体力学的基础理论不仅仅是理论研究，也被广泛应用于各个领域，为实际问题的解决提供了有效的方法和工具。

2.1 风洞测试风洞测试是利用气体流体力学的基本原理，在模拟大气环境下对飞行器、汽车等工程结构的气动性能进行测试和优化的方法。

通过风洞测试，可以获得飞行器在不同飞行状态下的气动力、气动热等参数，为飞行器的设计和优化提供重要参考。