《空气动力学》——第一章 空气动力学引述

(31) 2024-05-11 20:01:01

        安德森的这本著作里将内容分为四大板块,分别是基本原理,无黏不可压缩流动,无黏可压缩流动和黏性流动。我用了大概两周的时间阅读了第一部分,现总结如下:

一、空气动力学引述

        1、流体与固体的区别:当表面收到切向力作用时,固体会发生有限的变形且其剪应力和变形量通常成正比;而对流体来说,流体会发生持续增加的变形(即流动),且剪应力通常与变形速率成正比。从分子层面来说,体现为流体分子具有自由移动的能力

        2、空气动力学的实际目标

        (1)外部流动问题。计算流体对运动物体作用的力、力矩以及所传递的热量,如对机翼的升力阻力计算,火箭的气动加热问题。

        (2)内部流动问题。 计算物体内部流动特性,如管道流动,泵和压气机内部流动特性。

        3、第一章的路线图

        这是我阅读这本书非常愉快的一个原因,在每一章节都会有对应的路线图,来告诉你这些知识的联系和大体框架,让我在阅读时可以时刻知道自己现在处于本章的那个阶段,将要学习什么。

        这一章主要是讲述了一些空气动力学里的一些概念和术语,如阻力系数、量纲分析等等。

《空气动力学》——第一章 空气动力学引述 (https://mushiming.com/)  第1张

        4、一些基本术语

        (1)压强、密度、温度和流动速度。这些物理量都是point property,即是关于空间位置的变量。

        (2)剪应力。其大小与垂直与流线方向的速度梯度成正比。

                                                                         《空气动力学》——第一章 空气动力学引述 (https://mushiming.com/)  第2张 

        (3)单位。这本书里有两种单位制度,一是国际单位制度,另外一种是英制。

        5、空气动力、力矩及压力中心

        (1)物体在流体中所受到的力和力矩一共只有两个来源,一是物体表面的压力分布,二是物体表面的剪切力分布。在这一节所提到的升力(L)、阻力(D)、法向力(N)和轴向力(A)都是对其表面的压力和剪切力进行求和在分解,即沿表面进行积分。

        (2)引入一些无量纲系数。以自由来流的动压作为参考量,定义了压力系数、阻力系数和力矩系数等等。

        (3)压力中心。

        在确定由作用在物体分布载荷产生的力和力矩系统时,可以在物体上选择任意一点,只要给出合力和绕该点的力矩。对于压力中心来说,绕该点的力矩为0.

        6、量纲分析(白汉金定理)和流动相似性

        对于实验来说,影响一个物理量的可能存在很多的变量,这就需要大量的实验来确定,显然是不实用的。量纲分析就是来解决这样一个问题的。将原本存在的多个变量关系转变成少数的无量纲变量关系式。

        π定理:在力学中所有的物理变量都可以用质量、长度和时间的组合方式来表达。假设在=一组实验关系式中有N个变量,这些变量存在K个基本量纲,则可以构成N-K个无量纲量的关系式来代替原有的关系式。

        流动相似:在做实验时,考虑到真实物体和实验模型的尺寸差异和外部条件,需要对实验模型和条件进行改变来匹配两者能够具有相似的受力情况等。利用π定理,我们可以导出影响的物体受力的无量纲参数,如雷诺数。只需要控制这些无量纲参数与真实情况相等,即可以说实验与真实流动相似。

        7、流体静力学

《空气动力学》——第一章 空气动力学引述 (https://mushiming.com/)  第3张

        8、流动的分类

        (1)连续介质与自由分子流动

        分子之间相互碰撞的距离(平均自由程)小于分子的尺寸,使得其碰撞十分频繁,可以看做连续的物质。相反,成为自由分子流动,不能看做连续的物质。

        (2)无黏流动和黏性流动

        对于黏性流动来说,流体表现一种运输特性,可以将质量、动量和能量从一个位置传递到另外一个位置,在分子尺度上的传输引起质量扩散、摩擦和热传导。

        理论上来说,无黏流动只存在于雷诺数无穷大的情况。实际上在物体表面流动,摩擦、热传导和质量扩散仅存在于靠近壁面非常薄的一层,即边界层。在边界层以外可以视为无黏流动。 

        (3)不可压缩流动和可压缩流动

        密度在流动过程中为常数的流动成为不可压缩流动。

        (4)按马赫数来分

        亚音速、跨音速和超音速。

        实际上到这里本章的路线图就已经走完了,后面还有几节讲述了一些历史摘记关于压力中心和空气动力系数的发展。这一章给我的感觉就是初步建立对空气动力学的感性认识,包括一些基本概念和术语,工程中用到的动力系数等等,作者也在各节穿插了很多的拓展内容,这是自己的第一次阅读英文教材,虽然在阅读中有很多的困难,但还是想着坚持读下去,对于书中的一些精髓可能没有理解的那么透彻。实际上第二章也已经读完了,打算明天总结一下,以后还是阅读完每一章来小结一下要不然忘得太快。

THE END

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