第一章动力学基础

杨海 电动力学 第一章 电磁现象的普遍规律

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1 第一章 电磁现象的普遍规律

本章重点：从特殊到一般，由实验定律加假设总结出麦克斯韦方程。

主要内容：讨论几个定律，总结出静电场、静磁场方程；

找出问题，提出假设，总结真空中麦氏方程；

讨论介质电磁性质，得出介质中麦氏方程；

给出求解麦氏方程的边值关系；

引入电磁场能量，能流并讨论电磁能量的传输。

§1. 电荷和静电场

一、 库仑定律和电场强度

1. 库仑定律

一个静止点电荷Q对另一静止点电荷Q的作用力为:34rrQQFo

⑴ 静电学的基本实验定律

（2）两种物理解释

超距作用： 一个点电荷不需中间媒介直接施力与另一点电荷。

场传递： 相互作用通过场来传递。

对静电情况两者等价。

2. 点电荷电场强度

每一电荷周围空间存在电场：即任何电荷都在自己周围空间激发电场。它的基本性质是：电荷对处在其中的其它电荷具有作用力。

对库仑定律重新解释:描述一个静止点电荷激发的电场对其他任何电荷的电场力。

描述电场的函数——电场强度定义：试探点电荷F，则

30()4FQrExQr

它与试探点电荷无关，给定Q，它仅是空间点函数，因而是一个矢量场——静电场。

3．场的叠加原理（实验定律）

n个点电荷在空间某点的场强等于各点电荷单独存在时在该点场强的矢量杨海 电动力学 第一章 电磁现象的普遍规律

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2 和，即：3110()4nniiiiiiQrExEr。

4．电荷密度分布

体密度： 0limVQdQxVdV

面密度： 0limSQdQxSdS

线密度 ： 0limlQdQxldl

dQxdV

,,VSLQxdVQxdSQxdl

第一章 燃烧化学反应动力学基础 1、 什么叫燃烧？ 2、 浓度和化学反应速度正确的表达方法？化学反应速度如何计量？ 3、 什么是单相反应、多相反应、简单反应、复杂反应、总包反应？ 4、 质量作用定律的适用范围？如何从微观的分子运动论的观点来理解质量作用定律？试用质量作用定律讨论物质浓度对反应速度的影响。 5、 什么是反应级数？反应级数与反应物浓度（半衰期）之间的关系如何？ 6、 常用的固体、液体和气体燃料的反应级数值的范围是多少？ 7、 试用反应级数的概念，讨论燃尽时间与压力之间的关系。 8、 惰性组分如何影响化学反应速率？ 9、 Arrhenius定律的内容是什么？适用范围？如何从微观的分子运动论的观点来理解Arrhenius定律？ 10、 什么是活化能？什么是活化分子？它们在燃烧过程中的作用？ 11、 图解吸热反应和放热反应的活化能与反应放热（吸热）之间的关系。 12、 什么叫链式反应？它是怎样分类的？链反应一般可以分为几个阶段？ 13、 描述氢原子燃烧的链式反应过程。 14、 试用活化中心繁殖速率和销毁速率的数学模型，结合编程技术，绘制氢原子浓度随时间变化的图线，解释氢燃烧的几种反应的情况。并讨论：分支链反应为什么能极大地增加化学反应的速度？ 15、 烃类燃烧的基本过程是什么，什么情况下会发生析碳反应？如何进行解释？什么样的烃类燃烧时更容易发生析碳反应？如何防止烃类燃烧析碳？ 16、 图解催化剂对化学反应的作用。 17、 什么叫化学平衡？平衡常数的计算方法？吕·查德里反抗规则的内容是什么？ 18、 什么是燃料的低位发热量和高位发热量？ 19、 试用本章的知识解释，从燃烧学的角度来看，涡轮增压装置对汽车发动机的作用是什么？ 20、 过量空气系数（a）与当量比（b）的概念？ 21、 燃烧过程中，有几种NOx的生成机理？ 第二章 燃烧空气动力学基础——混合与传质 1． 为什么说混合与传质对燃烧过程很重要？ 2． 什么是传质？传质的两种基本形式是什么？ 3． 什么是“三传”？分子传输定律是怎样表述的？它们的表达式如何？（牛顿粘性定律、傅立叶导热定律、费克扩散定律） 4． 湍流中，决定“三传”的因素是什么？湍流中，动量交换过程和热量、质量交换的强烈程度如何？怎么用无量纲准则数的数值来说明这一点？ 5． 试推导一个静止圆球在无限大空间之中，没有相对运动的情况下，和周围气体换热的Nu数，以及和周围气体进行传质的Nuzl数。 6． 如图所示：

空气动力学基础前六章总结

第一章 空气动力学一些引述

1、 空气动力学涉及到的物理量的定义及相应的单位

①压强：是作用在单位面积上的正压力，该力是由于气体分子在单位时间内对面发生冲击（或穿过该面）而发生的动量变化，具有点属性。

0,limdAdAdFp

单位：Pa, kPa, MPa 一个标准大气压：101kPa

②密度：定义为单位体积内的质量，具有点属性。

0,limdvdvdm

单位：kg/㎡ 空气密度：1.225Kg/㎡

③温度：反应平均分子动能，在高速空气动力学中有重要作用。单位：℃

④流速：当一个非常小的流体微元通过空间某任意一点的速度。单位：m/s

⑤剪切应力：dydv μ：黏性系数

⑥动压：212qv

2、 空气动力及力矩的定义、来源及计算方法

空气动力及力矩的来源只有两个：

①物体表面的压力分布 ②物体表面的剪应力分布。

气动力的描述有两种坐标系：风轴系（L,D）和体轴系(A,N)。力矩与所选的点有关系，抬头为正，低头为负。

cossinLNA ， sincosDNA

3、 气动力系数的定义及其作用

气动力系数是比空气动力及力矩更基本且反映本质的无量纲系数，在三维中的力系数与二维中有差别，如：升力系数SqLCL（3D），cqLcl'（2D） LLCqS,DDCqS,NNCqS,AACqS,MMCqSl,pppCq,fCq

二维：S=C(1)=C

4、 压力中心的定义

压力中心，作用翼剖面上的空气动力，可简化为作用于弦上某参考点的升力L,阻力D或法向力N，轴向力A及绕该点的力矩M。如果绕参考点的力矩为零，则该点称为压力中心，显然压力中心就是总空气动力的作用点，气动力矩为0。

5、 什么是量纲分析，为什么要进行量纲分析，其理论依据，具体方法

在等式中，等号左边和等号右边各项的的量纲应相同，某些物理变量可以用一些基本量（质量，长度，时间等）来表达，据此有了量纲分析法，量纲分析可以减少方程独立变量个数，其理论依据是白金汉π定理。白金汉π定理：一个含有N个变量的等式，可以写成N-K个π积的函数形式，K表示用K个基本量纲来化简，每个非独立变量只出现在一个π积中，最终每个π积中K个量纲的幂指数分别等于0，方程得到化简。通过量纲分析法引出了雷诺数Re和马赫数M，这两个参数被称作相似参数。自由来流的马赫数Re=/cV=惯性力/黏性力，马赫数M=a/V，马赫数可以度量压缩性。

11第一章绪论及基本概念、知识空气动力学

授课教师：陈浮宋彦萍

哈尔滨工业大学能源科学与工程学院

推进理论与技术研究所

2教材：空气与气体动力学引论李凤蔚主编

1.第一章p1~9，p20~22；

2.第二章p25~36，p39~40；

3.第六章p156~161；

4.第十四章p344~354。

参考书：气体动力学基础潘锦珊等编

23空气与气体动力学的任务、研究方法及发展

无黏流动液体流体力学

流体静力学流体动力学

气体

水力学

理论流体动力学

润滑理论黏性流动

ρ变化小ρ变化大

不可压缩低速

空气动力学高度或低压影响高速影响

动力气象学

稀薄气体动力学气体动力学

亚/跨/超音速空气动力学

高超音速空气动力学

电磁流体动力学

4基本任务：空气、气体的运动规律及其与固体之间相互作用力

航空、航天、汽车/列车、建筑/桥梁、叶轮机械（风机/汽轮机等）、

天气预报、船舶、体育运动、……

航空飞行器空气动力学升力储备：爬升、机动飞行

气动效率：高升阻比

稳定性、操控性

表面压力及换热规律：材料、结构

2

2v

pconstρ

+=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飞行器升力及形成机理

LVρ

∞∞=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

cAndAΩ⋅=Γ∫󰁇󰁇

翼型非对称附面层内涡量总和

即为导致升力的环量

环量Γ从何而来？凯尔文定理0D

DtΓ

=

35y飞行器气动部件及其空气动力学机理

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

尾涡翼梢小翼

y阻挡气流上卷削弱尾涡

下洗速度↓

诱导阻力↓

y内向侧力

升力

推力内向侧力升力↑

推力↑

6后掠机翼

平直机翼

nV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

边条涡涡旋转涡心p低而V高

流经部位压力低涡升力

注入机翼表面气流能量推迟分离激波

11Va>

21VV<

()

120

shDmVV=−>󰀅激波阻力

47发动机气体动力学y高速气体（空气或燃气）在压缩性呈显著作用时的流动规