吴子牛气体动力学讲义_lecture01.ppt

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 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 介绍 吴子牛 电话 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） 答疑与作业 刘淼儿 办公室：力学系，1505 电话教材：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 什么是气体动力学(Gasdynamics）？ 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 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. 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. 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。 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 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 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 气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。 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。 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 * 第一讲 第一讲，引言 第一讲，引言 第一讲，引言 气体动力学的出现 名称出现： J. Ackeret, 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