《空气与气体动力学基础》课程简介
June 3, 2014  

一、课程基本信息

1、 课程代码:024000210

2、 课程名称(中文):空气与气体动力学基础 (英文):Principle of Aerodynamics

3、 学时/学分:56学时/3.5学分

4、 先修课程:高等数学、复变函数、计算方法、线性代数

5、 面向对象:航天类专业高年级本科生

6、 开课院(系):航天学院

7、 教材、教学参考书:

教材:《空气动力学基础》徐敏主编,西北工业大学出版社(新编)。

参考书目:(1)《空气与气体动力学引论》,李凤蔚主编,西北工业大学出版社,2007;

(2)《气体动力学基础》,王新月,西北工业大学出版社,2006;

(3)《Fundamentals of Aerodynamics》,John D. Anderson JR, McGraw-Hill Book Company, 2010。

二、课程的性质和任务

“空气与气体动力学基础”是西北工业大学航天学院开设的一门航天类专业技术基础课,是面向航天类专业高年级本科生的一门必修专业基础课,为培养航天工程领域高质量的专门人才服务。

本课程是航天专业本科生的一门必修专业技术基础课,也是从事航天器设计、分析和应用等不可缺少的理论基础。课程所涉及到的知识内容、原理和方法、技术和手段是各类航天飞行器总体设计、气动外形设计、控制系统设计、动力系统设计以及效能分析、飞行器气动力计算、弹道学、导弹动态分析、导弹控制原理与设计、导弹总体设计和结构设计的重要基础。

本课程的目的和任务是使学生通过本课程的学习获得一般流体动力学及空气动力学的基本概念、基本理论,掌握不可压理想流动、可压流动的理论体系和分析方法,了解附面层的基本理论,能够运用基本理论求解低速翼型空气动力特性和发动机内流场的气体动力特性。

三、教学内容和要求

空气动力学课程教学内容分为九章(包括绪论),对不同章节的教学要求分别叙述如下:

绪论

1 空气动力学的基本任务

2 空气动力学发展概述

3 空气动力学的分类

4 空气动力学的研究方法

本章要求:了解空气动力学在航空航天领域的重要地位;了解空气动力学的学科分支和研究目的,掌握空气动力学的分类和研究方法;了解空气动力学的发展情况。

第一章 流体力学基础知识

1 流体介质

2 流体静力学基础

3 标准大气

本章要求:了解连续介质假设的概念和意义;掌握流体密度、压强和温度等物理量的定义,掌握气体压缩性、粘性和传热性的概念,重点掌握流体的模型定义和适用范围;掌握作用在流体上的力和流体静力学方程;了解标准大气概念。

第二章 流体运动学和动力学基础

1 流场

2 流体微团的运动分析

3 旋涡运动

4 连续方程和流函数

5 欧拉运动方程及其积分

6 能量方程

本章要求:理解流场及其描述方法,理解迹线、流线和流管的概念,掌握流线方程的求解方法;了解流体微团的运动,理解散度、旋度和速度位的概念,掌握速度位函数的求解方法;了解涡线、涡管及旋涡强度的定义,掌握速度环量的定义,掌握直线涡诱导速度及毕奥-萨瓦定律,了解海姆霍兹旋涡定理;掌握连续方程的推导过程和表达式,掌握流函数的概念及其求解方法;了解欧拉运动方程的表达式和推导,重点掌握伯努利方程的推导、表示式和应用方法;了解能量方程的一般表达式和物理意义。

第三章 不可压理想流体绕物体的运动

1 不可压理想流体的无旋运动

2 拉普拉斯方程的基本解

3 绕圆柱的流动

本章要求:掌握不可压理想流体的无旋运动的基本方程和边界条件,了解流动的可叠加性;掌握直匀流、点源、点涡和偶极子定义;掌握绕圆柱无环量和有环量流动的特点和结论,重点掌握儒可夫斯基升力定理。

第四章 可压缩流基础知识

1 热力学基础知识

2 音速和马赫数

3 滞止参数和气动函数

4 压缩波与膨胀波

5 激波

本章要求:掌握热力学完全气体、状态方程、内能和焓的概念,掌握热力学第一、第二定律的表达式和意义;掌握音速和马赫数的定义及意义;掌握滞止参数的定义域关系式;掌握小扰动影响区的划分和马赫锥的概念;掌握气流经过马赫波后参数的变化规律;了解膨胀波前后参数变化与外折角的关系;掌握正激波一维定常流的基本方程组及前后参数的变化规律表达式,了解平面斜激波和圆锥激波的前后参数关系式;

第五章 一维定常可压缩管内流动

1理想气体在变截面管道中的流动

2收缩喷管

3拉伐尔喷管

4超声速内压式进气道及其它变截面管流

5气体在有热交换的管道内的流动

本章要求:了解几种典型的一维定常流动,掌握高速一维定常绝热流的能量方程推导过程和表达式,了解临界参考量的参数关系式,掌握等熵流的速度和截面关系,掌握拉瓦尔喷管流动参数的计算方法;了解等截面摩擦管流对气动参数的影响,了解超声速内压式进气道及其它变截面管流的流动特点;了解加热交换对气流参数的影响和加热壅塞现象。

第六章 附面层和粘性流动

1 附面层的概念

2 附面层微分方程

3 附面层的分离

4 高速可压附面层

本章要求:掌握附面层、层流和湍流的概念,了解附面层厚度的计算方法;了解附面层微分方程的推导和求解方法;了解低速平板层流、紊流附面层厚度及摩擦阻力系数的计算方法;掌握附面层分离的原因、特点及其影响;了解温度附面层和层内温度分布情况,了解绝热壁面的恢复温度和可压流平板摩擦阻力系数的计算方法。

第七章 绕翼型的低速流动

1 翼型的几何参数与气动参数

2 低速翼型的气动特性概述

3 库塔-儒可夫斯基后缘条件和环量的确定

4 薄翼型理论

5 任意形状翼型绕流的数值方法-面元法

本章要求:掌握描述翼型的几何参数;掌握翼型空气动力系数表达式;了解低速翼型的绕流图画,掌握翼型气动力系数随迎角的变化规律;掌握库塔-儒可夫斯基后缘条件的概念,了解环量和后缘条件的关系;了解任意翼型的位流解法,掌握薄翼型气动特性的求解方法,会计算给定薄翼型的气动特性;了解厚翼型气动特性求解理论。

第八章 绕翼型的可压缩流动

1 速度位方程

2 小扰动线化理论

3 亚音速流中的薄翼型的气动特性

4 超音速流中的翼型

本章要求:了解速度位方程和小扰动线化理论的思路和推导过程;掌握亚音速的气动特性,了解超音速薄翼型流动的特点和气动特性。

四、实验(上机)内容和基本要求

实验1:翼型和机翼绕流流场显示。要求通过实验,观察翼型绕流图画随迎角的变化,为失速现象建立流动直观图画;观察机翼的翼尖和尾流涡系及其随迎角的变化,为升力线理论模型建立直观的物理依据;三角翼的流谱观察,建立机翼前缘脱体涡的图画,为理解升力随迎角变化中的非线性特性提供直观流动依据;

实验2:翼型压强分布测量与气动特性分析实验。要求熟悉测定物体表面压强分布的方法,用多管压力计测出水柱高度,利用伯努利方程计算出翼型表面压强分布;测定给定迎角下,翼型上的压强分布,并用坐标法绘出翼型的压强系数分布图;

实验3:拉瓦尔喷管内的流动显示。

五、各教学环节学时分配

项目

学时

讲课

习题课

讨论课

实验课

其它

合计

绪论和

第一章

2

2

第二章

6

6

第三章

7

1

8

第四章

6

1

7

第五章

9

1

10

第六章

6

1

7

第七章

8

4

12

第八章

4

4

合 计

48

4

4

56

六、对学生能力培养的要求

本课程是面向航天类专业高年级本科生的一门专业基础必修课。要求学生通过本课程的学习,掌握流体力学和空气动力学的基本原理,了解流体运动和绕流与发动机内流的特点,分析流动特性对物体气动特性的影响,掌握空气动力学最基本的薄翼型从低速、亚音速到超音速的气动特性。培养综合分析问题的能力,为进一步专业课程的学习和实践奠定专业技术基础。

七、其他说明

无。

八、考核方法:

闭卷考试(统一命题,统一考试,统一阅卷)。

考试成绩除笔试外,还包括平时作业和试验成绩。

撰写人:安效民 制定日期:2013年6月25日

审定人:徐 敏

审定日期:2013年8月25日

学院审查意见: 主管院长:张科

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