旋成体空气动力学课件.ppt
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- 成体 空气动力学 课件
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1、第第5 5章章 旋成体空气动力学旋成体空气动力学第1页,共30页。5.1 5.1 旋成体基本概念和绕流图画旋成体基本概念和绕流图画一、旋成体的几何参数及外形一、旋成体的几何参数及外形 弹丸和火箭的弹体形状一般是由一条母线弹丸和火箭的弹体形状一般是由一条母线(直线或曲线直线或曲线)绕对称轴旋转而成的,这样的物体称为旋成体。包括对称绕对称轴旋转而成的,这样的物体称为旋成体。包括对称轴的任一平面称为旋成体的子午面,母线就是旋成体与任轴的任一平面称为旋成体的子午面,母线就是旋成体与任一子午线的交线。因此,在任一子午面上旋成体的边界形一子午线的交线。因此,在任一子午面上旋成体的边界形状都相同。常用的旋成
2、体一般由三部分组成:削尖的弹头状都相同。常用的旋成体一般由三部分组成:削尖的弹头部,延伸的圆柱部,收缩(或扩张)的弹尾部。为分析方部,延伸的圆柱部,收缩(或扩张)的弹尾部。为分析方便,对旋成体常采用柱坐标,如图便,对旋成体常采用柱坐标,如图5-15-1所示。所示。第2页,共30页。5.1 5.1 旋成体基本概念和绕流图画旋成体基本概念和绕流图画组成旋成体的几何参数有如下一些量:组成旋成体的几何参数有如下一些量:Dm旋成体最大直径旋成体最大直径;Dd旋成体底截面直径;旋成体底截面直径;Ln弹头部长度;弹头部长度;Lc圆柱部长度;圆柱部长度;Lt弹尾部长度;弹尾部长度;Lb旋成体总长度;旋成体总长
3、度;0弹头部头顶部;弹头部头顶部;t弹尾部收缩角;弹尾部收缩角;为旋成体长径比,相应的有为旋成体长径比,相应的有 、分别表示弹头部、圆柱部和弹尾部的长径比。分别表示弹头部、圆柱部和弹尾部的长径比。为旋成体收缩比。为旋成体收缩比。BBmLDnnmLDccmLDttmLD222ddddmmSDSDSD除上述几何参数外,还有两个主要的无量纲量:除上述几何参数外,还有两个主要的无量纲量:第3页,共30页。5.1 5.1 旋成体基本概念和绕流图画旋成体基本概念和绕流图画(一一)弹头部弹头部mmrxrxrL,自弹顶点到最大截面之间的部分,其长度以自弹顶点到最大截面之间的部分,其长度以L Ln n表示。母线
4、方表示。母线方程的一般形式为程的一般形式为()rr x()rr x或或其中其中常见的弹头部形状有以下几种:常见的弹头部形状有以下几种:1 1、尖拱形、尖拱形 母线为一段圆弧,该圆弧可以同圆柱母线为一段圆弧,该圆弧可以同圆柱部母线平滑相切,也可以在接合部具有部母线平滑相切,也可以在接合部具有一不大的折转角。前者称相切尖拱形,一不大的折转角。前者称相切尖拱形,后者称为相割尖拱形,如图后者称为相割尖拱形,如图5-25-2所示。所示。第4页,共30页。5.1 5.1 旋成体基本概念和绕流图画旋成体基本概念和绕流图画相切尖拱形的母线方程为相切尖拱形的母线方程为(5-1)(5-1)式中式中分别为当地半径与
5、最大截面半径之比、所研究截面的当分别为当地半径与最大截面半径之比、所研究截面的当地相对坐标、尖拱形母线的相对曲率半径。地相对坐标、尖拱形母线的相对曲率半径。0.25nR弹头部长径比弹头部长径比n n与相切尖拱形曲率半径的关系为与相切尖拱形曲率半径的关系为确定了头部长径比确定了头部长径比n n,就可由上式求出相对曲率半径,反之知道,就可由上式求出相对曲率半径,反之知道了相对曲率半径也可求出了相对曲率半径也可求出n n。(5-2)(5-2)第5页,共30页。5.1 5.1 旋成体基本概念和绕流图画旋成体基本概念和绕流图画12222(1)1(1)nndrxxdxRR tandrdx122020tan
6、1nndrdxRR 在建立和研究尖拱形表面的绕流时,必须知道母线的切在建立和研究尖拱形表面的绕流时,必须知道母线的切线斜率是怎样变化的,为此对式线斜率是怎样变化的,为此对式(5-1)(5-1)进行微分。母线切线进行微分。母线切线斜率的变化为斜率的变化为(5-3)(5-3)若设母线切线的倾斜角为若设母线切线的倾斜角为相切尖拱形头部顶点的切线斜率为相切尖拱形头部顶点的切线斜率为(5-4)(5-4)(5-5)(5-5)由(由(5-2)和()和(5-5)式可以看出,)式可以看出,n越大,尖锐度越大越大,尖锐度越大第6页,共30页。5.1 5.1 旋成体基本概念和绕流图画旋成体基本概念和绕流图画2 2、
7、抛物线型、抛物线型2(.)rx abxcx母线为一抛物线,其一般方程是母线为一抛物线,其一般方程是(2)rxx而实际应用的抛物线形母线方程为而实际应用的抛物线形母线方程为1tan(1)ndrxdx在弹顶点在弹顶点 ,则顶点斜率为,则顶点斜率为0 x 0tan(1)drxdx母线斜率为母线斜率为(5-6)(5-6)(5-7)(5-7)式式(5-6)(5-6)可以改写为可以改写为(5-6a)(5-6a)当给定弹头部长径比当给定弹头部长径比n和最大直径和最大直径Dm,就可以绘制抛物线形,就可以绘制抛物线形母线。抛物线形母线也有相切和相割两种。母线。抛物线形母线也有相切和相割两种。第7页,共30页。(
8、01)nrxxrx01tan2ndrdx/ccmLD 指弹头部后面的一段圆柱体,其长度以指弹头部后面的一段圆柱体,其长度以 表示。表示。圆柱部长径比为圆柱部长径比为cL5.1 5.1 旋成体基本概念和绕流图画旋成体基本概念和绕流图画3、指数曲线形、指数曲线形母线为一指数曲线,其方程为母线为一指数曲线,其方程为当当n=1n=1时,头部为圆锥形,母线方程为时,头部为圆锥形,母线方程为 一般指数曲线形一般指数曲线形 n=3/4n=3/4。(二二)圆柱部圆柱部第8页,共30页。5.1 5.1 旋成体基本概念和绕流图画旋成体基本概念和绕流图画(三三)弹尾部弹尾部 圆柱部之后的一段,一般是收缩形的,也有采
9、用扩圆柱部之后的一段,一般是收缩形的,也有采用扩张截锥形的。收缩形的形状有截锥形和曲线形。弹尾部张截锥形的。收缩形的形状有截锥形和曲线形。弹尾部的几何参数包括有长径比的几何参数包括有长径比 、收缩比、收缩比 、收缩、收缩角角(或扩张角或扩张角)等。等。ttmLD22ddmDSDt 在计算中有时需要求侧表面积在计算中有时需要求侧表面积 和体积和体积 ,对于头部,对于头部和截锥形尾部可利用下列式子:和截锥形尾部可利用下列式子:tSV第9页,共30页。5.1 5.1 旋成体基本概念和绕流图画旋成体基本概念和绕流图画二、流动图画二、流动图画 我们以超音速气流顺着旋成体对我们以超音速气流顺着旋成体对称轴
10、线称轴线(即即=0)=0)的绕流图画来说明。的绕流图画来说明。显然这种流动在各子午面中均一样,显然这种流动在各子午面中均一样,故称轴对称流动。故称轴对称流动。若弹头部是圆锥体,而圆锥半顶若弹头部是圆锥体,而圆锥半顶角角0 0m m,此时在锥顶形成附着,此时在锥顶形成附着锥面激波如图锥面激波如图5-35-3所示,所示,c c为激波为激波倾斜角。如果圆锥体很长的话,则沿倾斜角。如果圆锥体很长的话,则沿锥顶锥顶o o的同一根射线上气流参数将是的同一根射线上气流参数将是一样的,即属于锥型流动。一样的,即属于锥型流动。第10页,共30页。5.1 5.1 旋成体基本概念和绕流图画旋成体基本概念和绕流图画
11、如果弹头部是曲母线则由于物面的折如果弹头部是曲母线则由于物面的折转可能使气流膨胀,产生一系列膨胀波,转可能使气流膨胀,产生一系列膨胀波,如图如图5-45-4所示。这些膨胀波与激波相交,都所示。这些膨胀波与激波相交,都使激波削弱,离物面愈远,波强愈弱,使激波削弱,离物面愈远,波强愈弱,c c角愈小因而形成曲面激波。角愈小因而形成曲面激波。气流经过弹头部以后,如遇到折转点气流经过弹头部以后,如遇到折转点(例如圆锥头部和圆柱部分例如圆锥头部和圆柱部分结合处结合处)将发生膨胀过程。气流经此膨胀过程压强降低,随后由于将发生膨胀过程。气流经此膨胀过程压强降低,随后由于圆柱部的三维效应压强又逐渐升高。同样,
12、在圆柱部与船尾部的结圆柱部的三维效应压强又逐渐升高。同样,在圆柱部与船尾部的结合处,也将发生这种膨胀过程。在底部处气流膨胀使底部压强较来合处,也将发生这种膨胀过程。在底部处气流膨胀使底部压强较来流压强低形成所谓底部阻力,参见图流压强低形成所谓底部阻力,参见图5-55-5中底部形成的低压尾涡区。中底部形成的低压尾涡区。第11页,共30页。5.1 5.1 旋成体基本概念和绕流图画旋成体基本概念和绕流图画三、坐标轴系和空气动力、力矩三、坐标轴系和空气动力、力矩(一一)坐标轴系坐标轴系 研究弹丸的运动和所受的空气动力常用的坐标轴系有:研究弹丸的运动和所受的空气动力常用的坐标轴系有:速度轴系、弹体轴系、
13、地面轴系以及对轴对称弹丸比较方速度轴系、弹体轴系、地面轴系以及对轴对称弹丸比较方便的柱、球坐标系。为了研究方便,我们还把坐标系的原便的柱、球坐标系。为了研究方便,我们还把坐标系的原点置于弹尖端点或质心上,由于考虑到弹丸本身质心位置点置于弹尖端点或质心上,由于考虑到弹丸本身质心位置在飞行过程中可能变化(如火箭燃料耗损及内部机构运动在飞行过程中可能变化(如火箭燃料耗损及内部机构运动等引起)。因此,常常把坐标系的原点置于弹尖端点上。等引起)。因此,常常把坐标系的原点置于弹尖端点上。这样就相当于弹丸处于静止位置,而气流绕流弹丸运动。这样就相当于弹丸处于静止位置,而气流绕流弹丸运动。须要指出的是,弹体坐
14、标系中垂直平面须要指出的是,弹体坐标系中垂直平面x x1 1oyoy1 1的位置应作的位置应作这样的选择,使它既是弹体的对称面,而且在有迎角这样的选择,使它既是弹体的对称面,而且在有迎角的的一般情况下,它又是绕流弹体的气流对称面。这样弹体轴一般情况下,它又是绕流弹体的气流对称面。这样弹体轴线线oxox1 1和速度向量和速度向量 就都在对称面之中。轴线和速度向量构就都在对称面之中。轴线和速度向量构成的夹角为迎角,迎角所在的平面称为迎角平面或阻力面。成的夹角为迎角,迎角所在的平面称为迎角平面或阻力面。V 第12页,共30页。1 1、弹体轴系、弹体轴系(o-x(o-x1 1y y1 1z z1 1)
15、,),(见图(见图5-65-6)5.1 5.1 旋成体基本概念和绕流图画旋成体基本概念和绕流图画oxox1 1位于弹体对称平面内,沿位于弹体对称平面内,沿轴线指向弹底。轴线指向弹底。oyoy1 1位于弹体对称平面内,位于弹体对称平面内,垂直于垂直于oxox1 1轴向上为正。轴向上为正。ozoz1 1垂直于弹体对称平面,按右垂直于弹体对称平面,按右手定则确定指向。手定则确定指向。ox ox沿着气流速度方向。沿着气流速度方向。oyoy在对称平面内垂直于在对称平面内垂直于oxox轴,指向上方。轴,指向上方。ozoz垂直于垂直于xoyxoy平面,按右手定则确定。平面,按右手定则确定。2 2、速度轴系、
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