1、空气动力学 第1页教学安排开课学期 3 总课时数 36课时适用专业 飞机维修专业（ME、AV）首选教材 执照教材参考教材 简明空气动力学（内部教材）空气与气体动力学引论 李凤蔚 西北工业大学出版社第2页课程纲领说明本课程与其它课程联络主要后续课程：l发动机原理、结构与系统；l飞机结构与系统课程性质l机务专业一门主要专业基础课第3页空气动力学基础（ME、AV）第一章 大气物理学第二章 空气动力学第三章 飞行理论第四章 飞机稳定性和操纵性第4页第一章 大气物理学1.1 大气主要物理参数1.2 大气层结构1.3 国际标准大气（ISA）1.4 气象对飞行活动影响1.5 大气情况对飞机机体腐蚀影响第5页
2、气体动力学研究对象和研究方法气体动力学是研究可压缩流体，尤其是气体在流动过程中气体运动基本规律以及气体与物体之间相互作用一门科学。流体静力学流体力学 可压缩流体力学 流体动力学 （气体动力学）不可压缩流体力学第6页空气流经飞机机身空气流过发动机进气道空气流过桨叶（螺旋桨发动机）燃气流过尾喷管等力作用 热量交换 机械功交换第7页燃气涡轮喷气发动机第8页气轮机第9页飞机加速经过音障第10页质量守恒牛顿第二定律热力学第一定律热力学第二定律研究方法分为：试验研究、理论研究和数值研究第11页1.1 大气主要物理参数按体积计算，氮气78%，氧气21%第12页密度温度压力粘性压缩性湿度音速第13页1.1 大
3、气主要物理参数大气密度l单位体积内空气质量，l大气密度随高度增加而减小。第14页1.1 大气主要物理参数大气温度l温度高低表明空气分子不规则热运动平均速度大小。l在11km以下，随高度增加气温下降，线性改变。摄氏温度，华氏温度和绝对温度。摄氏温度/oC华氏温度/oF绝对温度/oK在标准大气压下，纯水沸点100212373.15在标准大气压下，纯水冰点032273.15第15页1.1 大气主要物理参数Tc摄氏温度Tf华氏温度Tk绝对温度第16页1.1 大气主要物理参数大气压力l大气层内空气压强，即单位面积上承受空气垂直作用力。空气重力空气分子热运动l度量单位标准大气压101325Pal大气压随高
4、度增大而减小。第17页1.1 大气主要物理参数粘性l粘性是流体固有属性之一。它与物体在介质中运动亲密相关。l流体粘性是指流体微团间发生相对滑移相对滑移时产生切向阻力切向阻力性质。l大气粘性主要因为气体分子不规则运动造成。第18页粘性流体是不能承受剪切力，即使在很小剪切力作用下，流体会连续不停变形，不过不一样流体在相同作用剪切力下变形速度是不一样，也就是不一样流体抵抗剪切力能力不一样，这种能力成为流体粘性。第19页1.1 大气主要物理参数粘性力计算公式：表示横向速度梯度为1时，在流层单位接触面积上产生粘性力。称为流体粘度系数流体粘度系数（动力粘度系数），单位是PaS。第20页1.1 大气主要物理
5、参数不一样流体粘性系数各不相同，同一流体粘性系数也与温度相关。l液体粘性系数随温度升高而降低液体粘性系数随温度升高而降低l气体粘性系数随温度升高而增大气体粘性系数随温度升高而增大实际流体都是有粘性，没有粘性流体称为理想流体理想流体。第21页牛顿内摩擦定律至于粘性系数与温度关系已被大量试验所证实。液体粘性系数随温度增加而下降气体粘性系数随温度而增加。l这种截然相反结果可用液体微观结构去说明。l流体间摩擦原因是分子间内聚力、分子和壁面附着力及分子不规则热运动而引发动量交换，使部分机械能变为热能。这几个原因对液体与气体影响是不一样。l因为液体分子间距增大，内聚力显著下降。而液体分子动量交换增加又不足
6、以赔偿，故其粘性系数下降。l对于气体则恰恰相反，其分子热运动对粘滞性影响居主导地位，当温度增加时，分子热运动更为频繁，故气体粘性系数随温度而增加。第22页1.1 大气主要物理参数液体气体粘度系数随温度改变情况温度升高，气体粘度系数增大。温度升高，液体粘度系数减小。第23页1.1 大气主要物理参数可压缩性l流体在压强或温度改变时，能改变其原来体积及密度特征。l流体可压缩性用单位压强所引发体积改变率表示。即在相同压力改变量作用下，密度（或体积）改变量越大物质，可压缩性就越大。l空气可压缩性怎样表达？在低速飞行时忽略空气可压缩性影响（Ma0.4）第24页1.1 大气主要物理参数湿度l大气潮湿程度，通
7、惯用相对湿度来表示。相对湿度指大气中所含水蒸汽量与同温度同温度下大气能含有水蒸汽最大量最大量之比。l温度越高大气所能含有水蒸汽最大量越大。露点温度：使大气相对湿度到达100%时温度。l含有水蒸汽空气比干空气密度小。第25页1.1 大气主要物理参数音速l音速是小扰动小扰动在介质中传输速度（米/秒）。物体振动在介质中引发小扰动会以介质不停被压缩、膨胀形式向四面传输，形成介质疏密交替改变小扰动波。l音速与传输介质可压缩性相关。把音速大小看成是表示介质压缩性大小一个指标。l在同一个介质中，音速大小只随介质温度而改变，空气中音速计算公式：l为气体常数，287J/Kg.K第26页1.2 大气层结构地球大气
8、层 l对流层对流层(变温层变温层)l平流层平流层(同温层同温层)l中间层 l电离层(热层)l散逸层 民用运输机飞行范围民用运输机飞行范围第27页第28页对流层对流层(变温层变温层)特点特点l对流层平均高度在地球中纬度地域约11公里，在赤道约17公里，在两极约8公里。l在对流层内几乎包含了全部大气质量四分之三。大气中含有大量水蒸气及其它微粒，所以云、雨、雪、雹及暴风等气象改变也仅仅产生在对流层中。l对流层内不但有空气水平流动，还有垂直流动，形成水平方向和垂直方向突风。l对流层内空气温度、密度和气压伴随高度增加而下降。第29页011km第30页平流层平流层(同温层同温层)特点特点l从对流层顶起到离
9、地面约50公里之间称为平流层。该层下半部（大约20km以下）空气温度几乎不变，在同一纬度处能够近似看作常数，常年平均值为摄氏零下摄氏零下56.556.5度度，所以又称为同温层。l同温层之上伴随高度增加，温度逐步升高，直到顶部温度升高到00C左右。l在平流层中，空气只有水平方向流动。空气稀薄，几乎没有水蒸汽，故没有雷雨等现象，故得名为平流层。空气质量占整个大气四分之一不到。l大气能见度好，气流平稳，空气阻力小，对飞行有利。当代喷气式客机多在11-12km平流层底层（巡航）飞行。第31页11km11km20km20km水平风水平风水平风水平风零度零度同温层同温层第32页中间层、电离层特点中间层、电
10、离层特点l中间层特点中间层从离地面50公里到80公里为止。空气十分稀薄，温度随高度增加而下降。空气在垂直方向有强烈运动。l电离层(热层)特点中间层以上到离地面800公里左右就是电离层。空气处于高度电离状态，带有很强导电性，能吸收、反射和折射无线电波。空气温度很高，并伴随高度增加而上升，所以又称为热层。空气密度极小，声音已无法传输。l散逸层大气层最外层；地心引力小，大气分子散逸于太空中。第33页第34页第35页第36页1.3 国际标准大气（ISA）l国际标准大气是由国际民航组织（ICAO）制订，它是以北半球中纬度地域北半球中纬度地域大气物理性质平均值平均值为依据，加以适当修正建立。l国际标准大气
11、含有以下要求：大气是静静止止、相相对对湿湿度度为为零零，洁洁净净完完全全气气体体，即服从状态方程。以海平面作为高度计算起点，即H=0，而且在该处l大气温度288.15K，或15l大气压强1.01325105 帕l大气密度1.225千克/米3l声速340.29m/s第37页国际标准大气表国际标准大气表H(千米)T T()a(米/秒)p10-4(牛顿/米2)(千克/米3)105(千克/米秒)0 1 2 3 4 5 6 7 8 9101112131415161718182030456075 15.0 8.5 2.0-4.5-11.0-17.5-24.0-30.5-37.0-43.5-50.0-56.
12、5-56.5-56.5-56.5-56.5-56.5-56.5-56.5-56.5-56.5-56.5 40.0 70.0-10.034033633232932532031631230830429929529529529529529529529529529529535537232510.132 8.987 7.948 7.010 6.163 5.400 4.717 4.104 3.558 3.073 2.642 2.261 1.932 1.650 1.409 1.203 1.027 0.785 0.749 0.640 0.546 0.117 0.017 0.0030.00061.2261.11
13、21.0070.9090.8200.7370.6600.5890.5260.4670.4130.3640.3110.2650.2270.1940.1630.1410.1210.1030.0880.0190.0023.910-48.010-51.7801.7491.7171.6841.6521.6191.5861.5521.5171.4821.4471.4181.4181.4181.4181.4181.4181.4181.4181.4181.4181.4181.9122.0471.667第38页国际标准大气应用设计飞机时应该按此标准计算飞机飞行性能，飞机试飞结果也应该换算成标准大气条件下结果，方
14、便分析和比较。飞机飞行手册中列出飞行性能数据是在国际标准大气条件下得出，要得出实际大气情况下飞机飞行性能必须依据实际大气情况对性能数据进行修正。这种换算主要工作是要确定实际大气和国际标准大气温度偏差（ISA偏差）。第39页1.4 气象对飞行活动影响阵风对飞机飞行影响l大气层中空气短时间强烈对流产生扰动称为阵风。l阵风会随时改变飞机相对气流速度和迎角l水平阵风、侧向阵风、垂直阵风垂直阵风*水平阵风：只改变相对气流速度对飞行所影响较小。*垂直阵风：既改变相对气流速度又改变飞机迎角。第40页垂直阵风由下向上吹来，速度增加，迎角增大，升力增大，瞬间飞机承受较大载荷，飞机产生向上曲线运动，机头上仰；阵风
15、消失后，飞机恢复原飞行姿态；垂直阵风由上向下吹来，速度降低，迎角减小，升力减小，瞬间飞机承受较小载荷，甚至向下载荷，飞机产生向下曲线运动，机头下俯。颠簸产生？第41页飞机迎角改变对飞机升力影响较大，可能造成:l 1、颠簸l 2、受载过大：高速飞行（小迎角状态）碰到垂直向上突风时应使飞机减速（加大迎角），防止产生过大气动载荷。l 3、飞机失速：低速飞行（大迎角状态）碰到垂直向上突风时应使飞机速度提升（减小迎角），防止飞机大迎角失速。侧向阵风：从飞机侧向吹来阵风；l引发飞机摇摆、摆头等，但对飞行影响不大。第42页假如飞机飞行速度很大，垂直阵风对飞机飞行速度影响引发升力改变非常小；垂直阵风改变飞机相
16、对气流迎角引发升力改变很大；飞机稳态飞行，有利迎角为40C，在垂直阵风速度到达飞机飞行速度1/10时，引发迎角增量可达50C，引发气动升力改变可观。相同风速下，垂直阵风对飞机飞行造成影响比水平阵风严重。第43页1.4 气象对飞行活动影响 稳定风场影响：主要影响飞机起飞和着陆l1、逆风起飞和着陆，以减小起飞和着陆速度及滑跑距离。逆风起飞，飞机起飞滑跑距离较短即可到达要求空速，获取升力，使飞机离地。逆风着陆，使飞机保持一定空速，取得所需要升力下，以最小着地速度着陆，并可增加阻力，降低滑跑距离。l2、侧风起飞后应进行航向修正。侧风着陆前应进行侧滑修正侧风在飞机起飞或者着陆时，在飞机上产生侧向载荷，带
17、着飞机漂移漂移，使飞机偏离航道，危机飞行安全。飞机采取改变航向方法进行修正。驾驶员操纵副翼和方向舵，组织飞机漂移，使飞机航迹对准跑道。超出一定侧向风速，飞机进行侧滑着陆不能确保安全。第44页3、低空风切变对飞行影响l风切变定义：风向和风速在特定方向上发生改变飞机由小顺风区到大顺风区域逆风区到顺风区某一方向顺风区到另一方向顺风区较短距离升降气流改变等l对正在起飞和着陆过程飞机安全性含有严重影响，尤其是对正在着陆飞机危害最大。第45页1.4 气象对飞行活动影响云对飞行影响 1、影响视线。2、飞机穿过积雨云可能受到闪电、冰雹攻击或碰到强烈风切变。3、飞机穿过零度以下低温云层时，在飞机表面可能结冰。第
18、46页1.5 大气情况对飞机机体腐蚀影响大气湿度：l大气湿度对金属在大气中腐蚀有着主要影响。临界湿度：在大气中使金属腐蚀速度急剧增大对应大气相对湿度。不一样金属有不一样临界相对湿度。影响临界湿度原因：机体构件材料性质;污染物性质和数量;金属表面粗糙、裂纹状态等。第47页大气温度和温差l温差影响比温度影响大。温差影响水分凝聚，影响气膜气体和盐类溶解度。l普通随温度升高，腐蚀加紧。第48页1.5 大气情况对飞机机体腐蚀影响大气污染物质l空气中粉尘、颗粒对金属大气腐蚀影响主要有三种形式：颗粒本身含有腐蚀性：如铵盐颗粒，溶于金属表面水膜内，提升了导电率或酸度，促进了金属腐蚀。颗粒本身没有腐蚀性，但能吸收空气中水分，或吸附腐蚀性物质，加速腐蚀。既无腐蚀性又不含有吸附性，但落在金属表面，与金属表面之间形成缝隙，形成氧浓差腐蚀条件，也会加速金属腐蚀。氧浓差腐蚀氧浓差腐蚀：因为不一样部位氧浓度不一样，而造成不一样部位电位不一样，造成腐蚀发生因为不一样部位氧浓度不一样，而造成不一样部位电位不一样，造成腐蚀发生.第49页THANK YOU!第50页
