吴子牛气体动力学讲义_lecture01
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第一章基础知识气体动力学ppt课件
密度是气体的一个重要属性，它是空间坐标和时间的函数： f1 x ,y ,z,t
根据连续介质假设，可以定义一个微团的平均密度，然后令微团体积缩小。当 体积缩小到δ V时0 ，即认为该平均密度为点P的密度，并将其表示成
limm dm
V VV0
dV
z
注意：这种微分是以满足连续介质假设为前提的。
m
V
分子效பைடு நூலகம்区
连续介质区
δm δv P(x,y,z)
确定密度 的渐近线
y
V x 连续介质中的微团体积与质量
Δ V 0是保证连续介质假设成立的最小体积。
δV
δ V0
连续介质中一点处的密度
1.2 气体的连续介质假设 1.2.3 连续介质一点处的速度
和密度一样，连续介质的速度也是空间和时间的连续函数： cf2 x ,y ,z,t
根据连续介质假设，某点P的流动速度可以定义为包含该点的极限体积d
V
中所
0
有分子速度的平均值。
假设极限体积中有n个分子，第i个分子的质量为mi，速度为 C i ，则P点速度为
n
mi C i
C
i1 n
mi
i1
注意：这个速度不同于P点处分子的瞬时速度。
连续介质中的密度和速度定义是对连续介质假设实质的进一步说明，用 同样方法可以建立压强、温度等概念。
热力学基本概念与基础知识
热力学是研究热能与其它形式能量之间的转换以及能量转换与物质 性质之间关系的学科，工程热力学是热力学的一个分支，它着重研 究与热能工程有关的热能与机械能相互转换的规律。气体动力学与 热力学有着密不可分的关系。
研究方法：热力学通过对有关物质的状态变化进行宏观分析来研究 能量转换过程。研究时选取某些确定的物质或某个确定空间中的物 质作为主要研究对象，并称它为热力学系统，简称系统。热力学系 统之外和能量转换有关的一切其它物质统称为外界或环境，热力学 系统与外界之间的分界面称为边界。
《气体动力学基础》课件
气体状态方程
理想气体状态方程 真实气体状态方程 压缩因子
pV = nRT pV = ZnRT Z = pV/nRT
通过状态方程计算气体的压力、体积和温度之间的关系，深入理解气体的行为和性质。
绝热过程
绝热过程定义
在没有热量交换的情 况下，气体的温度和 压力发生变化。
绝热气体定律
pV^γ = 常数，其中γ 为气体比热容比。
2
绝热气体的等容过程
忽略热量交换的影响，讨论绝热气体的等容过程。
3
等容过程的性质
研究等容过程中气体的性质变化和热力学参数的关系。
气体动力学中的速度、密度、压力
速度概念
学习气体分子的平均速度、最 概然速度和均方速率。
密度计算
探索气体的密度定义和计算方 法，并分析密度对气体性质的 影响。
压力测量
介绍不同压力单位和测量方法， 了解压力与气体动力学的关系。
3 解析气体流动
通过研究气体的速度、压力和密度等参数，揭示气体在空气中的传播和扩散规律。
分子运动模型
1 碰撞理论
分析气体分子之间的碰撞，解释气体压力和 温度的关系。
2 动能理论
揭示分子的运动能量如何影响气体的性质和 状态变化。
3 分子均方速率
4 布朗运动
推导和计算气体分子的平均速度和速率分布。
探索分子在气体中的随机运动，为扩散和浓 度分布的研究提供基础。
绝热线和绝热 曲线
绝热过程在叠加状态 空间中形成特定形状 的线和曲线。
绝热耦合
将气体动力学与热力 学相结合，研究绝热 过程中的能量转换。
等温过程
1
等温过程定义
保持气体温度恒定，改变气体的压力和
理想气体的等温过程
吴子牛气体动力学讲义_lecture03
dm
M b a0 化学计量关系
k i 1 i i i
III-1: 化学反应式
III-2: 化学热力学基本方程
• 无化学反应时所有关系式只是状态参数的函数 • 有化学反应时，各组元的物质数量如摩尔数有 变化，因此描述混合物的热力学状态除用到压 力p、体积V和温度T外，还需要用到各组元的 p p ( V , T , n 摩尔数 n 。例如 i 1,2, , k i) i
b X a X
i 1 i i kb i 1 i k kf k i
• 从左向右为正向反应，反应速率为 k f ；从右向左为 逆向反应，反应速率为 k b 。左边为反应物，右边为 生 成物。这里a i 和 b i 为计量系数。 H , x M , x H • 例如，令 x ，则氢原子的离解反 1 2 2 3 应可以写成一般形式，并且有 a 1 ,a 1 ,a 0 1 2 3
j j
III-2: 化学热力学基本方程
摩尔化学势与质量化学式
• 由
d n m d c d m M d n i
k _ k k k i 1 i i 1 i i i 1 i i i 1 i i i
得
i iM i
III-2: 化学热力学基本方程
j j j
E E p , T V S S , n V , n
j j
III-2: 化学热力学基本方程
基本方程的推导，摩尔化学势
• 吉布斯引入如下化学势的定义
E H F G i n n n n S , V , S , V , S , V , S , V , i i i i n , j i n , j i n , j i n , j i 它是单位摩尔的化学势，简称摩尔化学势。
气体动力学基础-PPT课件
2. 运动方程
dp
vdv 0
2
dp v 2 const
§6.1 .4 一元等熵气流的基本方程
3. 能量方程
v h const 2
c p p p h c T p R 1
2
p v const 1 2
2
§6.1 .4 一元等熵气流的基本方程
c 1 sin v Ma
1 sin (
1 ) Ma
§6.2 微弱扰动在空间的传播
马赫锥
• 倘若产生微弱扰动的是一根无限长的 直的扰动线，则微弱扰动将以圆柱面 波的形式以当地声速向外传播。 • 当来流的速度变化时，同样会出现类 似于微弱扰动波的四种传播情况。这 时，原来的马赫锥成为马赫线（也称 马赫波）
1 1
cA [( c d ) c v ] [ p ( p d )] A p
1
cdv dp 1
c dp d
微弱扰动的传播速度等于压强对密度的导数开方。
§6.1 微弱扰动的一维传播 声速 马赫数
二、声速
声速即声音传播的速度，声音是由微弱压缩波和 微弱膨胀波交替组戍的，所以声速可作为微弱扰动波 传播速度的统称。
§6.2 微弱扰动在空间的传播
马赫锥
• 倘若气流是非直匀的超声速流，即流线是 弯曲的，流动参数也是不均匀的，则当一 个微弱扰动波发生之后，它不仅随气流沿 着弯曲的路线向下游移动，而且它相对于 气流的传播速度也随当地的声速而异。
§6.2 微弱扰动在空间的传播
马赫锥
• 如果微弱扰动源以亚声速、声速或超声速 在静止的气体中运动，则微弱扰动波相对 于扰动源的传播，同样会出现图9－1所示 的情况。
dp
vdv 0
2
dp v 2 const
§6.1 .4 一元等熵气流的基本方程
3. 能量方程
v h const 2
c p p p h c T p R 1
2
p v const 1 2
2
§6.1 .4 一元等熵气流的基本方程
c 1 sin v Ma
1 sin (
1 ) Ma
§6.2 微弱扰动在空间的传播
马赫锥
• 倘若产生微弱扰动的是一根无限长的 直的扰动线，则微弱扰动将以圆柱面 波的形式以当地声速向外传播。 • 当来流的速度变化时，同样会出现类 似于微弱扰动波的四种传播情况。这 时，原来的马赫锥成为马赫线（也称 马赫波）
1 1
cA [( c d ) c v ] [ p ( p d )] A p
1
cdv dp 1
c dp d
微弱扰动的传播速度等于压强对密度的导数开方。
§6.1 微弱扰动的一维传播 声速 马赫数
二、声速
声速即声音传播的速度，声音是由微弱压缩波和 微弱膨胀波交替组戍的，所以声速可作为微弱扰动波 传播速度的统称。
§6.2 微弱扰动在空间的传播
马赫锥
• 倘若气流是非直匀的超声速流，即流线是 弯曲的，流动参数也是不均匀的，则当一 个微弱扰动波发生之后，它不仅随气流沿 着弯曲的路线向下游移动，而且它相对于 气流的传播速度也随当地的声速而异。
§6.2 微弱扰动在空间的传播
马赫锥
• 如果微弱扰动源以亚声速、声速或超声速 在静止的气体中运动，则微弱扰动波相对 于扰动源的传播，同样会出现图9－1所示 的情况。
《气体动力学》课件-绪论
声速
166x Galileo Galilei 认识声速和光速差别
1500 Leonardo Da Vinci, 发现声音以波的形式传播
1640 Marin Mersenne 首次测量声音在空气中的传播速度
1660 Robert Boyle 发现声音传播必须有介质
1687 Newton 推导声速关系式；Maxwell 推导声速关系式
1910 瑞利和泰勒
激波的不可逆性
1933 泰勒和马科尔
圆锥激波的数Biblioteka 解气体动力学基础_113
1.3 气体动力学发展简史
第三阶段：气体热力学发展阶段（20世纪30年代中50年代末）
1935年召开“航空中的高速流动问题”学术大会，表明流体力学先驱者对高 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
气体动力学基础_1
11
1.3 气体动力学发展简史
第一阶段：气体动力学基础阶段
1869 1987
1881
1883 1887 1899 1905 1902
朗金/兰金(英) 雨贡钮/许贡纽(法)
描述大波幅强扰动波－激波的兰金(英)－许贡纽 (法)理论
贝特洛Berthelot(法) 马兰德Mallard
实验发现管中火焰传播速度高达1－3.5 km/s （超音速3-10倍）的超音速燃烧现象，爆轰波 ＝激波＋燃烧波
气动是在经典流体力学的基础上，结合热力学和化学动力 学发展起来（气动热力学），可分为
亚音速流动，跨音速流动，超音速流动 高超音速流动
气体动力学讲义吴子牛lecture8
V sin
V
x
• 速度平面：
Ve i Vx iVy
V cos
(V为速率，为速度矢量与 x轴的夹角 )
Vx ( )
VIIቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ-3:速度图法
流线坐标系
• 流线坐标系 (s,n) • 流线坐标系与物理坐标系的 关系(旋转角度为 )：
dx ds cos dn sin dy ds sin dn cos
y
V
n
s 流线
x
VIII-3:速度图法
流线坐标系中的方程
• 方程转换
2 Vx 2 Vx Vy V y VxVy 1 2 1 2 2 a x a y a Vx Vy 0 y x
Vx V y y x 0
V V dV d d, d d d
得
V 1 V 1 , 1 1 , V V
VIII-3:速度图法
恰普雷津方程
• 将
V 1 V 1 , 1 1 , V V
VIII-3:速度图法
速度图法的求解思路续
• 由
d V dV d , d V dV d 0 sin 0 cos cos sin dx d d, dy d d V V V V
消去 d, d 得
cos 0 sin dx V V V sin 0 cos dy V V V cos dV V V sin dV V V 0 sin V 0 cos V d d
V
x
• 速度平面：
Ve i Vx iVy
V cos
(V为速率，为速度矢量与 x轴的夹角 )
Vx ( )
VIIቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ-3:速度图法
流线坐标系
• 流线坐标系 (s,n) • 流线坐标系与物理坐标系的 关系(旋转角度为 )：
dx ds cos dn sin dy ds sin dn cos
y
V
n
s 流线
x
VIII-3:速度图法
流线坐标系中的方程
• 方程转换
2 Vx 2 Vx Vy V y VxVy 1 2 1 2 2 a x a y a Vx Vy 0 y x
Vx V y y x 0
V V dV d d, d d d
得
V 1 V 1 , 1 1 , V V
VIII-3:速度图法
恰普雷津方程
• 将
V 1 V 1 , 1 1 , V V
VIII-3:速度图法
速度图法的求解思路续
• 由
d V dV d , d V dV d 0 sin 0 cos cos sin dx d d, dy d d V V V V
消去 d, d 得
cos 0 sin dx V V V sin 0 cos dy V V V cos dV V V sin dV V V 0 sin V 0 cos V d d
第一章气体动力学基础讲稿.
上篇热工基础概述一、课程的性质任务1、什么是热工过程,什么是热工设备?热的来源、传递、利用过程；产生热量、利用热量的设备；包含的内容有：研究系统的工作介质、体系的性质以及做功等2、该门课的性质：专业基础与技术课课程的任务：是将热力学的基本原理知识、流体力学的基本知识与工程实际上的热工设备相结合，研究热工过程中的各参数变化情况。
也就是说将讨论与热工过程有关的气体流动性质、气体性质、热的产生，传递、交换及过程中的物质交换等。
3、研究内容二、课程特点：强调“三传一反的能量交换”：动量、质量、热量传递、燃烧与烧成反应。
强调平衡概念：物料平衡、动量平衡、能平衡,强调基本：基本概念、基本定律、基本方法、基本理论知识强调理论与实践用基本的理论知识去理解硅酸盐行业常见的热工设备的工作原理。
强调分析问题、解决问题的能力。
三、课程的主要研究方法1．数学方法：微分方程和积分方程的求解及数值求解；2．分析方法：过程分析与数量级分析等；3．模型方法：物理模型及数学模型的建立；4．类比方法：热电类比及动量，质量，热量传递的类比等。
四、学习本课程的目的与意义1、掌握本专业中所用的热工理论知识，用所学的知识解决工程中出现的问题。
2、在该基础上进一步的深入研究创新，开发新型的热工设备五、本课程的基本要求1、注重研究的方法和思路：要掌握基本概念、掌握基本理论的来龙去脉，强调概念明确、思路清晰。
2、注重理论应用，多做习题，熟悉基本概念与理论。
3、答疑、作业、课堂讨论、考试。
六、课时安排（７６学时）绪论（1学时）第一章气体力学在窑炉中的应用（10学时）第二章传热原理（22学时）第三章质量原理（2学时，自学）第四章燃料及其燃烧过程与设备（12学时）第五章干燥过程及设备（10学时）第六章物料烧成与窑炉（18学时）小结(1学时）实验（？学时）七、教材及教学参考书教材：孙晋涛编《硅酸盐热工基础》武汉工业大学出版社参考书（1）沈慧贤胡道和主编《硅酸盐热工工程》武汉工业大学出版社（2）蔡悦民编《硅酸盐工业热工技术》武汉工业大学出版社（3）姜金宁编《热工过程与设备》冶金工业出版社（4）杨世铭编《传热学》人民教育出版社（5）韩昭论主编《燃料及燃烧》冶金工业出版社（6）胡道和编《水泥工业热工设备》武汉工业大学出版社（7）刘振群《陶瓷工业热工设备》武汉工业大学出版社（8）孙曾绪《玻璃工业热工设备》武汉工业大学出版社第一章气体力学在窑炉中的应用内容：研究气体流动规律及相应的热工流动设备。
《气体动力论》课件
《气体动力论》ppt课件
CATALOGUE
目录
气体动力论简介气体动力论的基本原理气体动力论中的重要概念气体动力论中的重要现象气体动力论的实际应用气体动力论的未来发展
气体动力论简介
01
气体动力论的发展经历了多个阶段。
总结词
气体动力论的发展始于17世纪，随着实验技术的发展，人们开始对气体运动进行定量研究。19世纪末，热力学的兴起为气体动力论提供了理论基础。20世纪以来，随着计算机技术和数值模拟方法的进步，气体动力论得到了更广泛的应用和发展。
新技术
智能诊断与预测
利用人工智能技术对气体动力系统进行实时监测和故障诊断，通过数据分析和模式识别预测系统的性能衰减和故障发生，提高系统的可靠性和安全性。
优化设计与仿真
人工智能算法如遗传算法、粒子群算法等可用于优化气体动力系统的设计和性能参数。通过建立高效的数值仿真模型，快速评估不同设计方案的效果，减少实验次数和成本。
气体动力论中的重要现象
04
详细介绍热力学的定义、基本概念和定律，如热力平衡、温度、热量、功和热力学第一、第二定律等。
阐述热力学过程中，如等温、等压、等容等过程的特点和规律，以及热机和制冷机的原理和应用。
热力学过程
热力学基础
Байду номын сангаас
流动的基本性质
解释气体流动的基本概念，如流速、流量、压强、流体静力学等。
气体动力论中的重要概念
03
伯努利定理
在流体力学中，流速增加时，流体压强减小；流速减小时，压强增加。
定理的物理意义
当流体运动时，由于流体内部摩擦力和流体粘性的作用，流体的机械能会不断损失，导致流体的速度减小。同时，由于流体具有压缩性和膨胀性，流体的压强也会发生变化。
CATALOGUE
目录
气体动力论简介气体动力论的基本原理气体动力论中的重要概念气体动力论中的重要现象气体动力论的实际应用气体动力论的未来发展
气体动力论简介
01
气体动力论的发展经历了多个阶段。
总结词
气体动力论的发展始于17世纪，随着实验技术的发展，人们开始对气体运动进行定量研究。19世纪末，热力学的兴起为气体动力论提供了理论基础。20世纪以来，随着计算机技术和数值模拟方法的进步，气体动力论得到了更广泛的应用和发展。
新技术
智能诊断与预测
利用人工智能技术对气体动力系统进行实时监测和故障诊断，通过数据分析和模式识别预测系统的性能衰减和故障发生，提高系统的可靠性和安全性。
优化设计与仿真
人工智能算法如遗传算法、粒子群算法等可用于优化气体动力系统的设计和性能参数。通过建立高效的数值仿真模型，快速评估不同设计方案的效果，减少实验次数和成本。
气体动力论中的重要现象
04
详细介绍热力学的定义、基本概念和定律，如热力平衡、温度、热量、功和热力学第一、第二定律等。
阐述热力学过程中，如等温、等压、等容等过程的特点和规律，以及热机和制冷机的原理和应用。
热力学过程
热力学基础
Байду номын сангаас
流动的基本性质
解释气体流动的基本概念，如流速、流量、压强、流体静力学等。
气体动力论中的重要概念
03
伯努利定理
在流体力学中，流速增加时，流体压强减小；流速减小时，压强增加。
定理的物理意义
当流体运动时，由于流体内部摩擦力和流体粘性的作用，流体的机械能会不断损失，导致流体的速度减小。同时，由于流体具有压缩性和膨胀性，流体的压强也会发生变化。
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第一讲，引言
1927, Gasdynamik. In Handbuch der Physik VIII, H. Geiger and K. Scheel, eds., Springer Berlin, pp.289-342
• 工程背景：蒸气机、炮弹、 爆炸等涉及到气流的可压 缩性后，尤其以 Rankine(1870)的激波研究 作为里程碑，出现了气体 动力学的初步研究。在航 空航天领域尤为重要。
第一讲，引言
答疑与作业
• • • • 刘淼儿 办公室：力学系，1505 电话：62785543 教材：气体动力学，高等教育出版社， 童秉纲，孔祥言，邓国华
气体动力学的历史
气体动力学的出现 什么是气体动力学 (Gasdynamics）？ • 名称出现： J. Ackeret,
• 高速（可压缩）气 体的运动规律及与 物体的相互作用 • 涉及热力学与流体 力学之间的紧密联 系
气体动力学的发展
• 气体动力学(Gasdynamics)初步奠基(1870-1935)， 涉及蒸汽机、雷电、炮弹、爆炸等一般可压缩 性流动。 • 气动热力学(Aerothermodynamics)发展（1935－ 1950），涉及喷气飞机、火箭喷气技术、燃气 轮机。 • 气动热化学(Aerothermochemistry)的发展 （1950－今）（空气动力学与化学热力学、统 计物理和化学动力学的结合），涉及航天飞行 器、高速火箭和高超音速飞机的高超声速和高 温流动问题，包括气动热和烧蚀问题。
I: 气体动力学第一讲
引言 2001年9月11日
星期二 上午9：50－中午12：15 明理楼422
第一讲
引言内容提要
• • • • • 气体动力学的历史 气体动力学的发展 气体动力学研究内容 如何学好气体动力学 等等
第一讲，引言
介绍
吴子牛
电话：62773794
清华大学（1999－今） 北京航空航天大学（1994－1999） 法国高等工艺与职业工程师大学（1992－1994） Ph.D. of University of Paris VI (1992) DEA of Ecole Centrale of Paris (1988) Batchelor of BIAA（1985）
第一讲，引言
气体动力学研究的内容
• 预备内容：热力学（状态方程、热力学 定律、完全气体的热力学特性、化学热 力学、等）与流体力学基本方程 • 一维管道流动、膨胀波与斜激波、线化 法、特征线法、相似律、高超声流第一讲，引言Fra bibliotek体动力学解决的问题
• 绕（外）流问题：给定外形和定解条件， 求流动参数和气动力（正问题），或给 定部分流动条件和气动力指标，求解最 佳外形（反问题）。 • 内流问题：研究气流在通道（喷管、涡 轮机、激波管）中的流动规律。 • 基本解的形式和相互作用，如激波与激 波的相互作用，激波与涡的相互作用。
第一讲，引言
如何学好气体动力学等？
• 认真回忆热力学基本知识和流体力学基 础知识。 • 体会趣味性：建立气体动力学与科学、 技术及自然现象之间的联系。 • 承认枯燥性：把气体动力学当着哲学， 而非一门具体科学，多掌握思维方法。 从枯燥中体会乐趣，从抽象中领悟具体。
第一讲，引言
要领提示
• 气体动力学背景 • 气体动力学的大致内容 • 气体动力学的发展过程
合作习题
（1）查资料，阅读并介绍有关航空、航天等一般工 程问题中所发生的气体动力学过程； （2）查资料，阅读并介绍原子弹爆炸所发生的基本 物理过程，尤其是气体动力学过程； （3）查资料，阅读并介绍雷电所发生的基本物理过 程，尤其是气体动力学过程。
什么是激波？
• 激波定义：有限振幅的力学波动、物理参数从 一种状态、经历若干个分子平均自由程的距离 后，跳跃到另外一种状态，宏观上可以看成间 断，在静止气体中以超音速传播。 • 自然现象. Earnshaw(1851)发现雷电的超音速 传播现象，即雷的响声传播速度快于音速.雷 电实际上导致了激波的产生. 伴随激波产生的 还有陨石坠落、火山喷发、太阳风、等等. • 人工激波. 子弹、超音速飞机、运载火箭、 导弹.
第一讲，引言
激波的研究
• 激波一词首先由Toepler提出 (之前出现过压缩波、表面 间断、正波、等）：A. Toepler (1864), Beobachtungen nach einer neuen optischen methode, Max Cohen & Sohn, Bonn, p.43. • 激波的研究经历了长久的争论，发展到了一门成熟且方兴 未 艾 的 学 科 : G. Ben-Dor, O. Igra, and T. Elperin (2001), Handbook of Shock Waves, Vol. I-III, Academic Press. • 激波涉及多学科交叉内容。 连环撞车、地震波、宇宙大 爆炸、用激波将石墨变为人造钻石、用激波粉碎胆结石、 原子弹爆炸、等等. 第一讲，引言
第一讲，引言
涉及气体动力学的工程问题
• • • • • • 航天飞机的发射 航天飞机的回收 航天飞机爆炸 喷气飞机飞行 原子弹爆炸 等等
太阳能飞机太阳神号
气体动力学与经典流体力学
• 经典流体力学(Hydrodynamics)：流体不可压缩， 控制方程只涉及运动学（质量守恒）和动力学 （牛顿定律） • 气体动力学考虑可压缩性，涉及运动学、动力 学、热力学（能量守恒）和气体的物理化学 （状态方程、化学反应、气体输运）等四个方 面的非线性相互耦合。 • 空气动力学涉及低速和高速，气体动力学只涉 及高速
1927, Gasdynamik. In Handbuch der Physik VIII, H. Geiger and K. Scheel, eds., Springer Berlin, pp.289-342
• 工程背景：蒸气机、炮弹、 爆炸等涉及到气流的可压 缩性后，尤其以 Rankine(1870)的激波研究 作为里程碑，出现了气体 动力学的初步研究。在航 空航天领域尤为重要。
第一讲，引言
答疑与作业
• • • • 刘淼儿 办公室：力学系，1505 电话：62785543 教材：气体动力学，高等教育出版社， 童秉纲，孔祥言，邓国华
气体动力学的历史
气体动力学的出现 什么是气体动力学 (Gasdynamics）？ • 名称出现： J. Ackeret,
• 高速（可压缩）气 体的运动规律及与 物体的相互作用 • 涉及热力学与流体 力学之间的紧密联 系
气体动力学的发展
• 气体动力学(Gasdynamics)初步奠基(1870-1935)， 涉及蒸汽机、雷电、炮弹、爆炸等一般可压缩 性流动。 • 气动热力学(Aerothermodynamics)发展（1935－ 1950），涉及喷气飞机、火箭喷气技术、燃气 轮机。 • 气动热化学(Aerothermochemistry)的发展 （1950－今）（空气动力学与化学热力学、统 计物理和化学动力学的结合），涉及航天飞行 器、高速火箭和高超音速飞机的高超声速和高 温流动问题，包括气动热和烧蚀问题。
I: 气体动力学第一讲
引言 2001年9月11日
星期二 上午9：50－中午12：15 明理楼422
第一讲
引言内容提要
• • • • • 气体动力学的历史 气体动力学的发展 气体动力学研究内容 如何学好气体动力学 等等
第一讲，引言
介绍
吴子牛
电话：62773794
清华大学（1999－今） 北京航空航天大学（1994－1999） 法国高等工艺与职业工程师大学（1992－1994） Ph.D. of University of Paris VI (1992) DEA of Ecole Centrale of Paris (1988) Batchelor of BIAA（1985）
第一讲，引言
气体动力学研究的内容
• 预备内容：热力学（状态方程、热力学 定律、完全气体的热力学特性、化学热 力学、等）与流体力学基本方程 • 一维管道流动、膨胀波与斜激波、线化 法、特征线法、相似律、高超声流第一讲，引言Fra bibliotek体动力学解决的问题
• 绕（外）流问题：给定外形和定解条件， 求流动参数和气动力（正问题），或给 定部分流动条件和气动力指标，求解最 佳外形（反问题）。 • 内流问题：研究气流在通道（喷管、涡 轮机、激波管）中的流动规律。 • 基本解的形式和相互作用，如激波与激 波的相互作用，激波与涡的相互作用。
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如何学好气体动力学等？
• 认真回忆热力学基本知识和流体力学基 础知识。 • 体会趣味性：建立气体动力学与科学、 技术及自然现象之间的联系。 • 承认枯燥性：把气体动力学当着哲学， 而非一门具体科学，多掌握思维方法。 从枯燥中体会乐趣，从抽象中领悟具体。
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要领提示
• 气体动力学背景 • 气体动力学的大致内容 • 气体动力学的发展过程
合作习题
（1）查资料，阅读并介绍有关航空、航天等一般工 程问题中所发生的气体动力学过程； （2）查资料，阅读并介绍原子弹爆炸所发生的基本 物理过程，尤其是气体动力学过程； （3）查资料，阅读并介绍雷电所发生的基本物理过 程，尤其是气体动力学过程。
什么是激波？
• 激波定义：有限振幅的力学波动、物理参数从 一种状态、经历若干个分子平均自由程的距离 后，跳跃到另外一种状态，宏观上可以看成间 断，在静止气体中以超音速传播。 • 自然现象. Earnshaw(1851)发现雷电的超音速 传播现象，即雷的响声传播速度快于音速.雷 电实际上导致了激波的产生. 伴随激波产生的 还有陨石坠落、火山喷发、太阳风、等等. • 人工激波. 子弹、超音速飞机、运载火箭、 导弹.
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激波的研究
• 激波一词首先由Toepler提出 (之前出现过压缩波、表面 间断、正波、等）：A. Toepler (1864), Beobachtungen nach einer neuen optischen methode, Max Cohen & Sohn, Bonn, p.43. • 激波的研究经历了长久的争论，发展到了一门成熟且方兴 未 艾 的 学 科 : G. Ben-Dor, O. Igra, and T. Elperin (2001), Handbook of Shock Waves, Vol. I-III, Academic Press. • 激波涉及多学科交叉内容。 连环撞车、地震波、宇宙大 爆炸、用激波将石墨变为人造钻石、用激波粉碎胆结石、 原子弹爆炸、等等. 第一讲，引言
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涉及气体动力学的工程问题
• • • • • • 航天飞机的发射 航天飞机的回收 航天飞机爆炸 喷气飞机飞行 原子弹爆炸 等等
太阳能飞机太阳神号
气体动力学与经典流体力学
• 经典流体力学(Hydrodynamics)：流体不可压缩， 控制方程只涉及运动学（质量守恒）和动力学 （牛顿定律） • 气体动力学考虑可压缩性，涉及运动学、动力 学、热力学（能量守恒）和气体的物理化学 （状态方程、化学反应、气体输运）等四个方 面的非线性相互耦合。 • 空气动力学涉及低速和高速，气体动力学只涉 及高速