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1、气体动力学基础你现在浏览的是第一页，共36页引言引言气体动力学发展的四大阶段气体动力学发展的四大阶段你现在浏览的是第二页，共36页第一阶段（气体动力学的第一阶段（气体动力学的基础阶段）基础阶段）工程应用背景工程应用背景 ：蒸汽机和爆炸技术：蒸汽机和爆炸技术 18701870年郎金年郎金雨贡纽导出了激波关系雨贡纽导出了激波关系 18821882年瑞典工程师发明了拉伐尔喷管年瑞典工程师发明了拉伐尔喷管 18871887年马赫导出了马赫角关系年马赫导出了马赫角关系 ，之后斯，之后斯托道拉、普朗特和迈耶先后实验研究了托道拉、普朗特和迈耶先后实验研究了拉伐尔喷管的流动特性。拉伐尔喷管的流动特性。你现在浏
2、览的是第三页，共36页第二阶段（可压缩流体动力学第二阶段（可压缩流体动力学的发展阶段）的发展阶段）1908年普朗特和迈耶提出了激波和膨胀年普朗特和迈耶提出了激波和膨胀波理论波理论 1910年瑞利和泰勒研究得出了激波的不年瑞利和泰勒研究得出了激波的不可逆性；可逆性；1933年泰勒和马科尔提出了圆锥激波的数年泰勒和马科尔提出了圆锥激波的数值解值解 你现在浏览的是第四页，共36页第三阶段：气体热力学的发展阶第三阶段：气体热力学的发展阶段段（2020世纪世纪3030年代中年代中5050年代末年代末）19351935年召开讨论了关于年召开讨论了关于“航空中的高速流航空中的高速流动问题动问题”的学术大会，
3、表明了流体力学先驱的学术大会，表明了流体力学先驱者对高速问题的关注和重视。之后，由于以者对高速问题的关注和重视。之后，由于以喷气飞机、涡轮喷气发动机、火箭发动机等喷气飞机、涡轮喷气发动机、火箭发动机等为背景的工程问题发展的需求，将空气动力为背景的工程问题发展的需求，将空气动力学与热力学相结合，这个时期为气体热力学学与热力学相结合，这个时期为气体热力学的发展阶段，其特点是在完全气体假设下的的发展阶段，其特点是在完全气体假设下的气体动力学理论和实验逐渐成熟。气体动力学理论和实验逐渐成熟。你现在浏览的是第五页，共36页第四阶段：气体热化学和第四阶段：气体热化学和CFDCFD的发展的发展阶段（阶段（2
4、020世纪世纪5050年代末至今）年代末至今）为了解决航天飞行器、高速飞行器的气动力和为了解决航天飞行器、高速飞行器的气动力和气动热问题，解决高温流动问题，必须将化气动热问题，解决高温流动问题，必须将化学热力学、空气动力学、化学动力学及统计学热力学、空气动力学、化学动力学及统计物理学等相结合。其研究背景为空间技术和物理学等相结合。其研究背景为空间技术和战略武器。目前高超声速飞行器的研究仍然战略武器。目前高超声速飞行器的研究仍然是世界各国研究的热点计算流体动力学的是世界各国研究的热点计算流体动力学的发展以惊人的速度取得了举世瞩目的成就。发展以惊人的速度取得了举世瞩目的成就。因而可以借助计算机解决
5、历史上遗留下来的因而可以借助计算机解决历史上遗留下来的一些难题，从而进一步解决与目前发展相适一些难题，从而进一步解决与目前发展相适应的一系列复杂问题应的一系列复杂问题你现在浏览的是第六页，共36页最早推导出激波的科学家朗 金你现在浏览的是第七页，共36页流体运动的旋转和速度势概念的起流体运动的旋转和速度势概念的起源源 斯托克斯与亥姆霍兹你现在浏览的是第八页，共36页气体动力学基础气体动力学基础的内容简介的内容简介1.1.流体的基本属性及热力学特性流体的基本属性及热力学特性 2.2.流体所遵循的运动规律流体所遵循的运动规律3.3.流体与流体，流体与物体之间的流体与流体，流体与物体之间的相互作用（
6、作用力）相互作用（作用力）你现在浏览的是第九页，共36页本课程的特点本课程的特点理论性强理论性强概念多概念多内容多内容多公式多公式多你现在浏览的是第十页，共36页教学要求及考核方式教学要求及考核方式作业作业 1010分分 期末考试期末考试 8080分分平时成绩：平时成绩：1010分（课堂主动发言者，分（课堂主动发言者，酌情加分，累计最高酌情加分，累计最高1010分）分）你现在浏览的是第十一页，共36页气体动力学基础气体动力学基础参考书参考书 流体力学美流体力学美W.F.W.F.修斯修斯J.A.J.A.布赖顿著布赖顿著 气体动力学基础气体动力学基础 潘锦珊主编潘锦珊主编 热力学与气体动力学基础热
7、力学与气体动力学基础 王新月王新月 主编主编 流体力学基础流体力学基础 邢宗文邢宗文 主编主编 MODERN COMPRESSIBLE FLOW MODERN COMPRESSIBLE FLOW John D.Anderson,Jr.John D.Anderson,Jr.你现在浏览的是第十二页，共36页几种构形的发动机几种构形的发动机及其工作原理及其工作原理涡轮喷气发动机：进气道压气机涡轮喷气发动机：进气道压气机燃烧室涡轮尾喷管燃烧室涡轮尾喷管各部件的作用：各部件的作用：你现在浏览的是第十三页，共36页涡轮风扇发动机涡轮风扇发动机一路通过内涵道的压气机燃烧室一路通过内涵道的压气机燃烧室涡轮尾喷
8、管涡轮尾喷管另一路通过外涵风扇外涵尾喷管另一路通过外涵风扇外涵尾喷管脉冲爆震发动机脉冲爆震发动机:应用于火箭应用于火箭、应用于飞机应用于飞机你现在浏览的是第十四页，共36页冲压发动机：冲压发动机：进气道，燃烧室尾喷管进气道，燃烧室尾喷管你现在浏览的是第十五页，共36页两种发动机的比较两种发动机的比较你现在浏览的是第十六页，共36页强大的工具CFD数值模拟管内流动非定常虚拟演示马赫数压强你现在浏览的是第十七页，共36页第一章流体的基本属性 1.1 1.1 流体的基本属性流体的基本属性 1.2 1.2 流体的压缩性与膨胀性流体的压缩性与膨胀性 1.3 1.3 流体的粘性流体的粘性 1.4 1.4
9、高温气体的属性高温气体的属性 1.5 1.5 流体的导热性流体的导热性你现在浏览的是第十八页，共36页1.1 1.1 流体的基本属性流体的基本属性你现在浏览的是第十九页，共36页连续介质模型连续介质模型定义定义:把气体看作是连绵不断地充满整个空间的、不把气体看作是连绵不断地充满整个空间的、不留任何空隙的连续介质留任何空隙的连续介质。分子间隙分子间隙连续介质连续介质你现在浏览的是第二十页，共36页1.21.2流体的粘性流体的粘性虚拟演示虚拟演示 粘性演示 PLAY定义：在流动的流体中，如果各流体层的流速不定义：在流动的流体中，如果各流体层的流速不相等，那么在相邻的两流体层之间的接触面上，相等，那
10、么在相邻的两流体层之间的接触面上，就会形成一对等值而反向的内摩擦力（或粘性阻就会形成一对等值而反向的内摩擦力（或粘性阻力）来阻碍两气体层作相对运动。即流体质点具力）来阻碍两气体层作相对运动。即流体质点具有抵抗其质点作相对运动的性质，就称为流体的有抵抗其质点作相对运动的性质，就称为流体的粘性。粘性。你现在浏览的是第二十一页，共36页粘性举例粘性举例譬譬如如看看看看河河中中的的流流水水，观观察察水水面面上上漂漂浮浮的的树树叶叶等等物物的的速速度度差差别别可可以以发发现现靠靠岸岸处处的的水水流流就就比比河河中中心心的的水水流流慢慢些。这是典型的粘性影响些。这是典型的粘性影响.摩擦盘也是粘性力在起作用
11、。摩擦盘也是粘性力在起作用。你现在浏览的是第二十二页，共36页粘性产生的物理原因粘性产生的物理原因分分子子不不规规则则运运动动的的动动量量交交换换分子间的吸引力分子间的吸引力你现在浏览的是第二十三页，共36页牛顿内摩擦定律牛顿内摩擦定律 上式适合于流体作层状运动的情况；上式适合于流体作层状运动的情况；当当dV/dy=0dV/dy=0，或，或 =0=0=0=0时时时时,=0=0；切应力的方向为：当流体层被快层带动时，切应力的方向为：当流体层被快层带动时，的方向与运动方向一致，当流体层被慢层阻的方向与运动方向一致，当流体层被慢层阻 滞时，的方向与运动方向相反。滞时，的方向与运动方向相反。上式称为牛
12、顿内摩擦定律。遵守牛顿内摩擦上式称为牛顿内摩擦定律。遵守牛顿内摩擦 定律的流体称为牛顿流体，如水、空气和气定律的流体称为牛顿流体，如水、空气和气 体等本质上都是牛顿流体；明胶，沥青等为非牛顿体等本质上都是牛顿流体；明胶，沥青等为非牛顿 流体。流体。你现在浏览的是第二十四页，共36页影响粘性系数因素影响粘性系数因素与流体有关与流体有关与温度有关：与温度有关：液体：液体：T T升高，粘性系数减小；升高，粘性系数减小；气体：气体：T T升高，粘性系数增大；升高，粘性系数增大；与压强有关：与压强有关：P不很高时，影响小，可忽略；不很高时，影响小，可忽略；P很高时，需要考虑影响。很高时，需要考虑影响。对
13、液体，按下式修正对液体，按下式修正;粘性系数的获取方法：试验；查流力手册；经验公式粘性系数的获取方法：试验；查流力手册；经验公式液压用油液压用油液压用油液压用油 1/4321/432 是压强为是压强为0.1013MPa时的粘性系数；时的粘性系数；是压强为是压强为p时的粘性系数时的粘性系数;你现在浏览的是第二十五页，共36页混气的粘性系数即速度梯度混气的粘性系数即速度梯度有多种气体组成的混合气体有多种气体组成的混合气体 速度梯度速度梯度意义为剪切变形角速度意义为剪切变形角速度你现在浏览的是第二十六页，共36页基本概念基本概念附面层（边界层）的概念附面层（边界层）的概念理想流体理想流体你现在浏览的
14、是第二十七页，共36页各种流体的切应力的斜率 塑性流体塑性流体牛顿流体牛顿流体涨塑性流体涨塑性流体假塑性流体假塑性流体dv/dy你现在浏览的是第二十八页，共36页1.31.3流体的导热性流体的导热性导热的三种方式：热传导；热对流；热辐射你现在浏览的是第二十九页，共36页傅立叶定律傅立叶定律式中，式中，n 是表面的法线方向是表面的法线方向 是沿法线方向的温度梯度是沿法线方向的温度梯度 是导热系数是导热系数你现在浏览的是第三十页，共36页1.41.4高温气体的属性高温气体的属性 当当T600 800度时，空气可以认为是完全气体。度时，空气可以认为是完全气体。2.600K 800K T 2000K时
15、时，分分子子振振动动自自由由度度被被激发，但是化学反应还末开始，激发，但是化学反应还末开始，Cp,Cv，k 是温度的函数，是温度的函数，Cv=Cv(T),Cp=Cv+R=Cp(T)空气空气2000 T 9000度，会发生电离。度，会发生电离。你现在浏览的是第三十一页，共36页完全气体比热比的变化T600K2000K你现在浏览的是第三十二页，共36页完全气体完全气体量热完全气体量热完全气体热完全气体热完全气体为常数为常数；你现在浏览的是第三十三页，共36页举例举例【例例1】一块可动平板和另一块不动平板之间为某种流体，两平板一块可动平板和另一块不动平板之间为某种流体，两平板间的距离为间的距离为0.
16、5mm，可动板若以，可动板若以0.25m/s的速度移动，为了维持的速度移动，为了维持这个速度需要单位面积上的作用力为这个速度需要单位面积上的作用力为2N/m2,求这两块平板间流体求这两块平板间流体的粘度。的粘度。解：当两平板间的距离很小时，可以认为平板间流体的流动速度分解：当两平板间的距离很小时，可以认为平板间流体的流动速度分布为线性布为线性=V/hF=A=(F/A)(h/V)=0.004 N s/m2你现在浏览的是第三十四页，共36页【例例2 2】转轴直径转轴直径d=0.36md=0.36m，轴承长度，轴承长度l=1ml=1m，轴与轴承之间的缝隙宽，轴与轴承之间的缝隙宽度度=0.2mm=0.
17、2mm其中充满其中充满=0.72Pa=0.72Pass的油，若轴的转速的油，若轴的转速 n=200r/minn=200r/min，求克服油的粘性阻力所消耗的功率。求克服油的粘性阻力所消耗的功率。【解解】由驱动力矩由驱动力矩=阻力力矩得到阻力力矩得到 1(2 r1l)r1=2(2 r2l)r2 再由再由 =dV/dy 则得则得 (dV/dy)1=(dV/dy)2(r2/r1)2因为缝隙很小，近似认为因为缝隙很小，近似认为r1=r2，速度成线性分布，速度成线性分布即速度梯度为即速度梯度为 dV/dy=V/其中，粘附于轴表面的油的运动速度其中，粘附于轴表面的油的运动速度V等于轴表面的周向速度，即等于轴表面的周向速度，即 V=dn/60=0.36 200/60=3.77m/s你现在浏览的是第三十五页，共36页例2 续于是作用在轴表面的阻力矩为于是作用在轴表面的阻力矩为 M=Ar=V/dl d/2消耗的功率消耗的功率 N=M=V/dld/2 2 n/60 =0.72 3.77/(0.2 10-3)0.36 1 0.36/2 2 200/60 =57.9(kw)你现在浏览的是第三十六页，共36页