1、第八章第八章 氣體動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)氣體動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ) 真實(shí)流體均具有一定的可壓縮性，在流場(chǎng)中壓差或密度變真實(shí)流體均具有一定的可壓縮性，在流場(chǎng)中壓差或密度變化很小時(shí)，作為一種近似，可以當(dāng)成不可壓縮流體來(lái)處理?；苄r(shí)，作為一種近似，可以當(dāng)成不可壓縮流體來(lái)處理。但是，當(dāng)流場(chǎng)中流體的運(yùn)動(dòng)速度很高，壓差或密度變化顯但是，當(dāng)流場(chǎng)中流體的運(yùn)動(dòng)速度很高，壓差或密度變化顯著時(shí)，就必須考慮壓縮性對(duì)流動(dòng)的影響。在可壓縮流動(dòng)中，溫著時(shí)，就必須考慮壓縮性對(duì)流動(dòng)的影響。在可壓縮流動(dòng)中，溫度是一個(gè)很重要的參數(shù)，因此，度是一個(gè)很重要的參數(shù)，因此，氣體動(dòng)力學(xué)氣體動(dòng)力學(xué)與工程熱力學(xué)關(guān)系與工程熱力學(xué)關(guān)系密切。密切。氣體動(dòng)力學(xué)氣體動(dòng)力學(xué)就是

2、研究可壓縮流體的流動(dòng)規(guī)律及其在工程中就是研究可壓縮流體的流動(dòng)規(guī)律及其在工程中應(yīng)用的科學(xué)。應(yīng)用的科學(xué)。 在可壓縮流體中，壓力擾動(dòng)的傳播要一定的時(shí)間，但在不在可壓縮流體中，壓力擾動(dòng)的傳播要一定的時(shí)間，但在不可壓縮流體中是在瞬間完成的，這就是可壓縮流體與不可壓縮可壓縮流體中是在瞬間完成的，這就是可壓縮流體與不可壓縮液體的本質(zhì)區(qū)別。液體的本質(zhì)區(qū)別。第八章第八章 氣體動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)氣體動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ) 第一節(jié)基本概念第二節(jié)聲速及壓力擾動(dòng)的傳播第三節(jié)理想氣體的一元等熵流動(dòng)第四節(jié)沖波第一節(jié)第一節(jié) 基本概念基本概念一、一、 熱力學(xué)系統(tǒng)及熱力學(xué)狀態(tài)熱力學(xué)系統(tǒng)及熱力學(xué)狀態(tài)1.熱力學(xué)系統(tǒng)熱力學(xué)系統(tǒng)在分析熱力學(xué)問(wèn)題時(shí)，選取某些

3、確定的物質(zhì)或某在分析熱力學(xué)問(wèn)題時(shí)，選取某些確定的物質(zhì)或某個(gè)確定空間中的物質(zhì)作為研究對(duì)象，并稱(chēng)它為個(gè)確定空間中的物質(zhì)作為研究對(duì)象，并稱(chēng)它為熱力學(xué)熱力學(xué)系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱(chēng)系統(tǒng)。系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱(chēng)系統(tǒng)。與熱力學(xué)系統(tǒng)有關(guān)的周?chē)矬w稱(chēng)為與熱力學(xué)系統(tǒng)有關(guān)的周?chē)矬w稱(chēng)為外界外界。第一節(jié)第一節(jié) 基本概念基本概念2、熱力學(xué)狀態(tài)、熱力學(xué)狀態(tài)在某一指定的瞬間，熱力學(xué)系統(tǒng)所處的狀態(tài)，稱(chēng)之為在某一指定的瞬間，熱力學(xué)系統(tǒng)所處的狀態(tài)，稱(chēng)之為熱力學(xué)狀態(tài)，簡(jiǎn)稱(chēng)狀態(tài)，它是系統(tǒng)所具有的物理特性的總熱力學(xué)狀態(tài)，簡(jiǎn)稱(chēng)狀態(tài)，它是系統(tǒng)所具有的物理特性的總的表現(xiàn)。的表現(xiàn)。第一節(jié)第一節(jié) 基本概念基本概念二、狀態(tài)參數(shù)二、狀態(tài)參數(shù)狀態(tài)參數(shù)狀態(tài)參數(shù)是指熱力系全部宏

4、觀(guān)性質(zhì)的集合。而從各個(gè)是指熱力系全部宏觀(guān)性質(zhì)的集合。而從各個(gè)不同方面描寫(xiě)這種宏觀(guān)狀態(tài)的物理量就是不同方面描寫(xiě)這種宏觀(guān)狀態(tài)的物理量就是狀態(tài)參數(shù)狀態(tài)參數(shù)。狀態(tài)參數(shù)由熱力系的狀態(tài)確定，而與達(dá)到該狀態(tài)的變狀態(tài)參數(shù)由熱力系的狀態(tài)確定，而與達(dá)到該狀態(tài)的變化路徑無(wú)關(guān)?；窂綗o(wú)關(guān)。熱工學(xué)中常用的狀態(tài)參數(shù)：熱工學(xué)中常用的狀態(tài)參數(shù)：壓力、密度、溫度、內(nèi)能、壓力、密度、溫度、內(nèi)能、焓和熵。焓和熵。1.溫度溫度 T（K）溫度是描述物體冷熱程度的一個(gè)狀態(tài)參數(shù)。從分溫度是描述物體冷熱程度的一個(gè)狀態(tài)參數(shù)。從分子運(yùn)動(dòng)論的觀(guān)點(diǎn)看，溫度標(biāo)志大量分子熱運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)烈子運(yùn)動(dòng)論的觀(guān)點(diǎn)看，溫度標(biāo)志大量分子熱運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)烈程度。程度。第一節(jié)第一節(jié)

5、 基本概念基本概念2.內(nèi)能內(nèi)能內(nèi)能內(nèi)能是指組成熱力系的大量微觀(guān)粒子本身所具有是指組成熱力系的大量微觀(guān)粒子本身所具有的能量（它不包括熱力系宏觀(guān)運(yùn)動(dòng)的能量和外部場(chǎng)作的能量（它不包括熱力系宏觀(guān)運(yùn)動(dòng)的能量和外部場(chǎng)作用的能量）。在工程熱力學(xué)中用的能量）。在工程熱力學(xué)中內(nèi)能（內(nèi)能（E）分子動(dòng)能（）分子動(dòng)能（Ek）+分子力所形成的勢(shì)能（分子力所形成的勢(shì)能（Ep）單位質(zhì)量物質(zhì)的內(nèi)能稱(chēng)為單位質(zhì)量物質(zhì)的內(nèi)能稱(chēng)為比內(nèi)能比內(nèi)能（有時(shí)將比內(nèi)能（有時(shí)將比內(nèi)能簡(jiǎn)稱(chēng)為內(nèi)能），即有簡(jiǎn)稱(chēng)為內(nèi)能），即有第一節(jié)第一節(jié) 基本概念基本概念3.焓焓焓焓是一個(gè)組合的狀態(tài)參數(shù)，即是一個(gè)組合的狀態(tài)參數(shù)，即H=E+pVJ單位質(zhì)量物質(zhì)的單位質(zhì)量物質(zhì)

6、的焓焓稱(chēng)為稱(chēng)為比焓比焓（有時(shí)也將比焓簡(jiǎn)稱(chēng)（有時(shí)也將比焓簡(jiǎn)稱(chēng)為焓），即有為焓），即有h=H/m=e+p/J/kg第一節(jié)第一節(jié) 基本概念基本概念4.熵熵若從外界向一個(gè)系統(tǒng)加熱，加入到系統(tǒng)中的熱量若從外界向一個(gè)系統(tǒng)加熱，加入到系統(tǒng)中的熱量并不是一個(gè)狀態(tài)參數(shù)，因?yàn)榧尤氲臒崃颗c加熱的過(guò)程并不是一個(gè)狀態(tài)參數(shù)，因?yàn)榧尤氲臒崃颗c加熱的過(guò)程有關(guān)。有關(guān)。例如，保持氣體的容積不變加入的熱量全部成為例如，保持氣體的容積不變加入的熱量全部成為氣體內(nèi)能的增量，最后表現(xiàn)為溫度的升高。若保持氣氣體內(nèi)能的增量，最后表現(xiàn)為溫度的升高。若保持氣體的壓力不變測(cè)加入熱量一部分成為內(nèi)能，另一部分體的壓力不變測(cè)加入熱量一部分成為內(nèi)能，另一

7、部分為氣體的膨脹功。所以要加熱到同樣的溫度，顯然定為氣體的膨脹功。所以要加熱到同樣的溫度，顯然定壓下加入的熱量比較多。因而熱量并不是狀態(tài)參數(shù)，壓下加入的熱量比較多。因而熱量并不是狀態(tài)參數(shù)，但是熱量增量與溫度之比卻是一個(gè)狀態(tài)參數(shù)，稱(chēng)為但是熱量增量與溫度之比卻是一個(gè)狀態(tài)參數(shù)，稱(chēng)為熵。熵。第一節(jié)第一節(jié) 基本概念基本概念三、氣體的狀態(tài)方程三、氣體的狀態(tài)方程狀態(tài)參數(shù)之間的關(guān)系稱(chēng)為狀態(tài)參數(shù)之間的關(guān)系稱(chēng)為狀態(tài)方程。狀態(tài)方程。 一般情況下，一般情況下，完全氣體完全氣體的狀態(tài)方程可由壓強(qiáng)的狀態(tài)方程可由壓強(qiáng)p、溫、溫度度T和密度和密度表示，其形式為表示，其形式為第一節(jié)第一節(jié) 基本概念基本概念四、比熱容四、比熱容

8、單位質(zhì)量的氣體，溫度升高（或降低）單位質(zhì)量的氣體，溫度升高（或降低）1所需加所需加入（或放出）的熱量稱(chēng)為氣體的入（或放出）的熱量稱(chēng)為氣體的比熱容比熱容，用符號(hào)，用符號(hào)c表示。表示。比熱容的單位是比熱容的單位是J/(kgK）。）。在容積不變時(shí)比熱容，稱(chēng)為在容積不變時(shí)比熱容，稱(chēng)為比定容熱容比定容熱容，用，用cv表示。表示。在壓強(qiáng)不變時(shí)比熱容，稱(chēng)為在壓強(qiáng)不變時(shí)比熱容，稱(chēng)為比定壓熱容比定壓熱容，用，用cp表示。表示。第一節(jié)第一節(jié) 基本概念基本概念四、熱量四、熱量 熱量是熱力系和外界之間由于溫度不同而通過(guò)邊界熱量是熱力系和外界之間由于溫度不同而通過(guò)邊界傳遞的能量。熱量是一個(gè)過(guò)程量，用傳遞的能量。熱量是一

9、個(gè)過(guò)程量，用Q來(lái)表示，單位是來(lái)表示，單位是焦耳（焦耳（J）。對(duì)應(yīng)于單位質(zhì)量物質(zhì)的熱量用）。對(duì)應(yīng)于單位質(zhì)量物質(zhì)的熱量用 q表示，單表示，單位是位是J/kg，常規(guī)定，系統(tǒng)吸熱時(shí)熱量為正，系統(tǒng)放熱時(shí)，常規(guī)定，系統(tǒng)吸熱時(shí)熱量為正，系統(tǒng)放熱時(shí)熱量為負(fù)。熱量為負(fù)。對(duì)無(wú)耗的準(zhǔn)定容過(guò)程，有對(duì)無(wú)耗的準(zhǔn)定容過(guò)程，有對(duì)無(wú)耗的準(zhǔn)定壓過(guò)程，有對(duì)無(wú)耗的準(zhǔn)定壓過(guò)程，有第一節(jié)第一節(jié) 基本概念基本概念五、功五、功在熱力過(guò)程中，熱力系統(tǒng)和外界間通過(guò)邊界而傳在熱力過(guò)程中，熱力系統(tǒng)和外界間通過(guò)邊界而傳遞能量，若它的全部效果可表現(xiàn)為使物體改變宏觀(guān)運(yùn)遞能量，若它的全部效果可表現(xiàn)為使物體改變宏觀(guān)運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)，則這種傳遞的能量稱(chēng)為動(dòng)的狀態(tài)，則

10、這種傳遞的能量稱(chēng)為功，單位是功，單位是J。系統(tǒng)系統(tǒng)對(duì)外做功為正，反之為負(fù)。對(duì)外做功為正，反之為負(fù)。pdVpAdxWpdvw v單位質(zhì)量物質(zhì)的體積。對(duì)無(wú)耗散的準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程，有第一節(jié)第一節(jié) 基本概念基本概念六、熱力學(xué)第一定律六、熱力學(xué)第一定律對(duì)靜止封閉的系統(tǒng)，有對(duì)靜止封閉的系統(tǒng)，有 QE+W對(duì)單位工質(zhì)有對(duì)單位工質(zhì)有q=e+wq=de+wqwe第一節(jié)第一節(jié) 基本概念基本概念七、熱力學(xué)過(guò)程七、熱力學(xué)過(guò)程1.定容過(guò)程定容過(guò)程 v=常數(shù)常數(shù)q=de+w=de+pdvcvdT=de2.定壓過(guò)程定壓過(guò)程 p=常數(shù)常數(shù)q=de+w=de+pdv=de+d(pv)-vdp=d(e+pv)cpdT=dh3.定熵過(guò)程定

11、熵過(guò)程 s=常數(shù)常數(shù)pvk=常數(shù)常數(shù)常數(shù)kp第二節(jié)第二節(jié) 聲速及壓力擾動(dòng)的傳播聲速及壓力擾動(dòng)的傳播一、 聲速微弱擾動(dòng)壓力波的波陣面AdvadaA)(xaadvaaAAdpppA)()(ddpa 設(shè)過(guò)程是等熵的，設(shè)過(guò)程是等熵的，則則p /k=常數(shù)，又有常數(shù)，又有狀態(tài)方程狀態(tài)方程 p=RT/kpkRTa第二節(jié)第二節(jié) 聲速及壓力擾動(dòng)的傳播聲速及壓力擾動(dòng)的傳播一、 聲速聲速就是微弱擾動(dòng)在氣體中的傳播速度，這已為實(shí)驗(yàn)所證實(shí)。在空氣中k=1.4，R287.1 m2/(s2k)Ta05.20二、壓力擾動(dòng)在空氣中的傳播1.馬赫數(shù) MaavMa 氣體的速度氣體的速度當(dāng)?shù)芈曀佼?dāng)?shù)芈曀俚诙?jié)第二節(jié) 聲速及壓力擾動(dòng)的

12、傳播聲速及壓力擾動(dòng)的傳播Ma1 不可壓縮流動(dòng)；不可壓縮流動(dòng)；Ma1 亞音速流動(dòng)；亞音速流動(dòng)；Ma = 1 等音速流動(dòng)或臨界流動(dòng)；等音速流動(dòng)或臨界流動(dòng)； Ma1 超音速流動(dòng)。超音速流動(dòng)。 二、壓力擾動(dòng)在空氣中的傳播1.馬赫數(shù) Ma第二節(jié)第二節(jié) 聲速及壓力擾動(dòng)的傳播聲速及壓力擾動(dòng)的傳播2. 2. 壓力擾動(dòng)在空氣中的傳播壓力擾動(dòng)在空氣中的傳播微弱擾動(dòng)源是點(diǎn)源，位于微弱擾動(dòng)源是點(diǎn)源，位于OO點(diǎn)，擾動(dòng)源的運(yùn)動(dòng)速度是點(diǎn)，擾動(dòng)源的運(yùn)動(dòng)速度是0 0。這。這時(shí)微弱擾動(dòng)波的波陣面是球面，擾動(dòng)源始終在擾動(dòng)區(qū)內(nèi)。時(shí)微弱擾動(dòng)波的波陣面是球面，擾動(dòng)源始終在擾動(dòng)區(qū)內(nèi)。t=0時(shí)的擾動(dòng)波，在t=3時(shí)刻的波陣面t=1時(shí)的擾動(dòng)波，

13、在t=3時(shí)刻的波陣面t=2時(shí)的擾動(dòng)波，在t=3時(shí)刻的波陣面第二節(jié)第二節(jié) 聲速及壓力擾動(dòng)的傳播聲速及壓力擾動(dòng)的傳播2. 2. 壓力擾動(dòng)在空氣中的傳播壓力擾動(dòng)在空氣中的傳播t=1時(shí)的擾動(dòng)波，在t=4時(shí)刻的波陣面t=2時(shí)的擾動(dòng)波，在t=4時(shí)刻的波陣面t=3時(shí)的擾動(dòng)波，在t=4時(shí)刻的波陣面微弱擾動(dòng)源是點(diǎn)源，位于微弱擾動(dòng)源是點(diǎn)源，位于O點(diǎn)，擾動(dòng)源從左向右運(yùn)動(dòng)，速點(diǎn)，擾動(dòng)源從左向右運(yùn)動(dòng)，速度是度是v010超聲速流在超聲速流在收縮段減速收縮段減速1010亞聲速流在亞聲速流在收縮段加速收縮段加速00說(shuō)明說(shuō)明dAMadvxvp)(xvv )(xpp *p*v1p2p1p2pmqmax,mq)(2pqqmm第三節(jié)

14、第三節(jié) 理想氣體的一元定常等熵流理想氣體的一元定常等熵流四、四、 氣流速度與管道斷面的關(guān)系氣流速度與管道斷面的關(guān)系1p2p2pmqmax,mq)(2pqqmm當(dāng)當(dāng)p1p2，亞聲速氣，亞聲速氣體流經(jīng)縮放噴管時(shí)，氣流體流經(jīng)縮放噴管時(shí)，氣流速度不斷增加，且在喉部速度不斷增加，且在喉部達(dá)到臨界狀態(tài)。這時(shí)當(dāng)達(dá)到臨界狀態(tài)。這時(shí)當(dāng)p2進(jìn)一步降低，喉部的速度進(jìn)一步降低，喉部的速度也不會(huì)再增加，這種現(xiàn)象也不會(huì)再增加，這種現(xiàn)象稱(chēng)為雍塞。這時(shí)通過(guò)縮放稱(chēng)為雍塞。這時(shí)通過(guò)縮放噴管的質(zhì)量流量達(dá)到最大。噴管的質(zhì)量流量達(dá)到最大。1Ma1Ma1Ma第四節(jié)沖波第四節(jié)沖波一、沖波的概念一、沖波的概念當(dāng)超聲速氣流流過(guò)大的障礙（如超聲

15、速飛機(jī)、炮彈和火箭當(dāng)超聲速氣流流過(guò)大的障礙（如超聲速飛機(jī)、炮彈和火箭等在空中飛行），氣流在障礙物前受到急劇的壓縮，壓力、密等在空中飛行），氣流在障礙物前受到急劇的壓縮，壓力、密度突然顯著地增加。這時(shí)所產(chǎn)生的壓力擾動(dòng)波將以比聲速大得度突然顯著地增加。這時(shí)所產(chǎn)生的壓力擾動(dòng)波將以比聲速大得會(huì)的速度傳播開(kāi)來(lái)，所到之處氣流各參數(shù)將發(fā)生突然的變化。會(huì)的速度傳播開(kāi)來(lái)，所到之處氣流各參數(shù)將發(fā)生突然的變化。這種強(qiáng)壓力擾動(dòng)波稱(chēng)為這種強(qiáng)壓力擾動(dòng)波稱(chēng)為沖波或激波。沖波或激波。沖波是在超聲速流動(dòng)中出現(xiàn)的一種特殊的現(xiàn)象。氣流通過(guò)沖波是在超聲速流動(dòng)中出現(xiàn)的一種特殊的現(xiàn)象。氣流通過(guò)沖波時(shí)速度突然下降，而壓力、密度和溫度突然增

16、加。沖波時(shí)速度突然下降，而壓力、密度和溫度突然增加。例如，我們聽(tīng)到的超聲速飛機(jī)的聲音，就是由于有一個(gè)密例如，我們聽(tīng)到的超聲速飛機(jī)的聲音，就是由于有一個(gè)密度很大的空氣層（即沖波）掠過(guò)我們的耳朵。度很大的空氣層（即沖波）掠過(guò)我們的耳朵。原子彈爆炸后產(chǎn)生的氣浪，強(qiáng)烈擾動(dòng)的沖波，它可把建筑原子彈爆炸后產(chǎn)生的氣浪，強(qiáng)烈擾動(dòng)的沖波，它可把建筑物震塌沖倒。物震塌沖倒。第四節(jié)沖波第四節(jié)沖波一、沖波的概念一、沖波的概念第四節(jié)沖波第四節(jié)沖波二、正沖波的形成和傳播速度二、正沖波的形成和傳播速度假設(shè)活塞向右作突然加速運(yùn)假設(shè)活塞向右作突然加速運(yùn)動(dòng)，迅速移動(dòng)一段距離，達(dá)到速動(dòng)，迅速移動(dòng)一段距離，達(dá)到速度度v v，然后作等

17、速運(yùn)動(dòng)。，然后作等速運(yùn)動(dòng)。為了分析方便起見(jiàn)，我們假為了分析方便起見(jiàn)，我們假定以一系列經(jīng)過(guò)相等的無(wú)窮小時(shí)定以一系列經(jīng)過(guò)相等的無(wú)窮小時(shí)間間隔的瞬時(shí)微小加速來(lái)近似地間間隔的瞬時(shí)微小加速來(lái)近似地代替活塞的突然加速，而且在每代替活塞的突然加速，而且在每?jī)蓚€(gè)瞬時(shí)微小加速之間活塞等速兩個(gè)瞬時(shí)微小加速之間活塞等速運(yùn)動(dòng)。運(yùn)動(dòng)。且設(shè)每加速一個(gè)且設(shè)每加速一個(gè)dvdv，發(fā)出，發(fā)出一微弱壓力波。一微弱壓力波。txttxtvvdtdvdvdtdx2tvx壓力波的波陣面壓力波的波陣面vata第四節(jié)沖波第四節(jié)沖波二、正沖波的形成二、正沖波的形成txtxv,Tpdtdvdvdtdta1111,Tp,Tp,TptxtxvTp,dtdvdvdt3dta12dtadv)(2dv2,Tp111,Tp222,Tpdt2dvdv2第四節(jié)沖波第四節(jié)沖波三、正沖波的速度三、正沖波的速度gvsvsvxyxysvgsvv 111,Tp222,Tp)(21gssvvAAv1p2p0AA)(入出xxmxvvqF)()(112）（sgssvvvAvApp第四節(jié)沖波第四節(jié)沖波四四、激激波波前前后后氣氣流流參參數(shù)數(shù)之之間間的的關(guān)關(guān)系系12121211111ppkkppkk12121211111kkkkpp11111122121212ppkkppppkkTTgvsv111,Tp222,Tp激