空气动力学基础.

第二章低速空气动力学基础第二章第页2本章主要内容2.1低速空气动力学2.2升力2.3阻力2.4增升装置的增升原理2.1空气流动的描述第二章第页4空气动力是空气相对于飞机运动时产生的，要学习和研究飞机的升力和阻力，首先要研究空气流动的基本规律。第二章第页52.1.1流体模型化①理想流体，不考虑流体粘性的影响。②不可压流体，不考虑流体密度的变化，Ma0.4。③绝热流体，不考虑流体温度的变化，Ma0.4。第二章第页62.1.2相对气流运动方向相对气流方向自然风方向第二章第页7●飞机的相对气流方向与飞行速度方向相反只要相对气流速度相同，飞机产生的空气动力就相同。第二章第页8●对相对气流的现实应用直流式风洞回流式风洞第二章第页9●风洞实验段及实验模型第二章第页10●风洞的其它功用第二章第页112.1.3迎角迎角就是相对气流方向与翼弦之间的夹角。第二章第页12●相对气流方向就是飞机速度的反方向第二章第页13●相对气流方向是判断迎角大小的依据平飞中，可以通过机头高低判断迎角大小。而其他飞行状态中，则不可以采用这种判断方式。第二章第页14●水平飞行、上升、下降时的迎角上升平飞下降第二章第页15●迎角探测装置第二章第页162.1.4流线和流线谱空气流动的情形一般用流线、流管和流线谱来描述。流线：流场中一条空间曲线，在该曲线上流体微团的速度与曲线在该点的切线重合。对于定常流，流线是流体微团流动的路线。第二章第页17流管：由许多流线所围成的管状曲面。第二章第页18●流线和流线谱流线谱是所有流线的集合。第二章第页19●流线和流线谱的实例第二章第页20●流线的特点该曲线上每一点的流体微团速度与曲线在该点的切线重合。流线每点上的流体微团只有一个运动方向。流线不可能相交，不可能分叉。第二章第页21●流线谱的特点流线谱的形状与流动速度无关。物体形状不同，空气流过物体的流线谱不同。物体与相对气流的相对位置（迎角）不同，空气流过物体的流线谱不同。气流受阻，流管扩张变粗，气流流过物体外凸处或受挤压，流管收缩变细。气流流过物体时，在物体的后部都要形成涡流区。第二章第页222.1.5连续性定理流体流过流管时，在同一时间流过流管任意截面的流体质量相等。质量守恒定律是连续性定理的基础。第二章第页23●连续性定理12A1,v1A2,v211vA单位时间内流过截面1的流体体积为111vA单位时间内流过截面1的流体质量为222vA同理，单位时间内流过截面2的流体质量为则根据质量守恒定律可得：111222vAvA1122vAvAC常数即结论：空气流过一流管时，流速大小与截面积成反比。第二章第页24山谷里的风通常比平原大河水在河道窄的地方流得快，河道宽的地方流得慢●日常的生活中的连续性定理高楼大厦之间的对流通常比空旷地带大第二章第页252.1.6伯努利定理同一流管的任意截面上，流体的静压与动压之和保持不变。能量守恒定律是伯努力定理的基础。第二章第页26●伯努利定理空气能量主要有四种：动能、压力能、热能、重力势能。低速流动，热能可忽略不计；空气密度小，重力势能可忽略不计。因此，沿流管任意截面能量守恒，即为：动能+压力能=常值。公式表述为：2102vPP上式中第一项称为动压，第二项称为静压，第三项称为总压。第二章第页27●伯努利定理2102vPP—动压，单位体积空气所具有的动能。这是一种附加的压力，是空气在流动中受阻，流速降低时产生的压力。212vP—静压，单位体积空气所具有的压力能。在静止的空气中，静压等于当时当地的大气压。0P—总压（全压），它是动压和静压之和。总压可以理解为，气流速度减小到零之点的静压。第二章第页28●深入理解动压、静压和总压同一流线：总压保持不变。动压越大，静压越小。流速为零的静压即为总压。第二章第页29同一流管：截面积大，流速小，压力大。截面积小，流速大，压力小。●深入理解动压、静压和总压第二章第页30●伯努利定理适用条件气流是连续、稳定的，即流动是定常的。流动的空气与外界没有能量交换，即空气是绝热的。空气没有粘性，即空气为理想流体。空气密度是不变，即空气为不可压流。在同一条流线或同一条流管上。第二章第页312.1.7连续性定理和伯努利定理的应用①用文邱利管测流量2A1,v1,P1A2,v2,P21文邱利管测流量22212212/1/vPPAA21212211221122AvvAvPvP第二章第页32②空速管测飞行速度的原理2102vPP02()PPv第二章第页33③与动压、静压相关的仪表空速表高度表升降速度表第二章第页34●空速表第二章第页35●升降速度表第二章第页36●高度表第二章第页37本章主要内容2.1空气流动的描述2.2升力2.3阻力2.4飞机的低速空气动力特性2.5增升装置的增升原理2.2升力第二章第页39升力重力拉力阻力LiftPullWeightDrag升力垂直于飞行速度方向，它将飞机支托在空中，克服飞机受到的重力影响，使其自由翱翔。第二章第页402.2.1升力的产生原理起点终点相同的时间，相同的起点和终点，小狗的速度和人的速度哪一个更快？第二章第页41●升力的产生原理前方来流被机翼分为了两部分，一部分从上表面流过，一部分从下表面流过。由连续性定理或小狗与人速度对比分析可知，流过机翼上表面的气流，比流过下表面的气流的速度更快。第二章第页42P1v1P2v22211112222PvPv12vv12PP211102PvP212202PvP●升力的产生原理第二章第页43上下表面出现的压力差，在垂直于（远前方）相对气流方向的分量，就是升力。机翼升力的着力点，称为压力中心(CenterofPressure)●升力的产生原理第二章第页442.2.2翼型的压力分布当机翼表面压强低于大气压，称为吸力。当机翼表面压强高于大气压，称为压力。用矢量来表示压力或吸力，矢量线段长度为力的大小，方向为力的方向。①矢量表示法第二章第页45●驻点和最低压力点B点，称为最低压力点，是机翼上表面负压最大的点。A点，称为驻点，是正压最大的点，位于机翼前缘附近，该处气流流速为零。第二章第页46②坐标表示法从右图可以看出，机翼升力的产生主要是靠机翼上表面吸力的作用，尤其是上表面的前段，而不是主要靠下表面正压的作用。第二章第页472.2.3升力公式212LLCVS—飞机的升力系数LC212V—飞机的飞行动压S—机翼的面积。第二章第页48●升力公式的物理意义飞机的升力与升力系数、来流动压和机翼面积成正比。升力系数综合的表达了机翼形状、迎角等对飞机升力的影响。212LLCVS第二章第页49本章主要内容2.1空气流动的描述2.2升力2.3阻力2.4增升装置的增升原理2.3阻力第二章第页51阻力是与飞机运动轨迹平行，与飞行速度方向相反的力。阻力阻碍飞机的飞行，但没有阻力飞机又无法稳定飞行。升力重力拉力阻力LiftPullWeightDrag第二章第页52●阻力的分类对于低速飞机，根据阻力的形成原因，可将阻力分为：•摩擦阻力(SkinFrictionDrag)•压差阻力(FormDrag)•干扰阻力(InterferenceDrag)•诱导阻力(InducedDrag)废阻力(ParasiteDrag)升力粘性第二章第页532.3.1低速附面层附面层，是气流速度从物面处速度为零逐渐增加到99%主流速度的很薄的空气流动层。速度不受干扰的主流附面层边界物体表面①附面层的形成第二章第页54●附面层厚度较薄第二章第页55无粘流动沿物面法线方向速度一致粘性流动沿物面法线方向速度不一致“附面层”●无粘流动和粘性流动附面层的形成是受到粘性的影响。第二章第页56②附面层的特点I.附面层内沿物面法向方向压强不变且等于法线主流压强。P1P2只要测出附面层边界主流的静压，便可得到物面各点的静压，它使理想流体的结论有了现实意义。第二章第页57II.附面层厚度随气流流经物面的距离增长而增厚。ll第二章第页58II.附面层厚度随气流流经物面的距离增长而增厚。ll第二章第页59III.附面层的特点三附面层分为层流附面层和紊流附面层，层流在前，紊流在后。层流与紊流之间的过渡区称为转捩点。转捩点层流附面层紊流附面层第二章第页60●层流的不稳定性123abcIIIAvPIIIIIIAvPIIIAAIIIvvIIIPP第二章第页61●层流附面层和紊流附面层的速度型第二章第页622.3.2阻力的产生•摩擦阻力(SkinFrictionDrag)•压差阻力(FormDrag)•干扰阻力(InterferenceDrag)•诱导阻力(InducedDrag)废阻力(ParasiteDrag)升力粘性第二章第页63①摩擦阻力由于紧贴飞机表面的空气受到阻碍作用而流速降低到零，根据作用力与反作用力定律，飞机必然受到空气的反作用。这个反作用力与飞行方向相反，称为摩擦阻力。第二章第页64●影响摩擦阻力的因素紊流附面层的摩擦阻力比层流附面层的大。飞机的表面积越大，摩擦阻力越大。飞机表面越粗糙，摩擦阻力越大。摩擦阻力的大小与附面层的类型密切相关，此外还取决于空气与飞机的接触面积和飞机的表面状况。第二章第页65●摩擦阻力在飞机总阻力构成中占的比例较大摩擦阻力占总阻力的比例超音速战斗机25-30%大型运输机40%小型公务机50%水下物体70%船舶90%第二章第页66②压差阻力压差阻力是由处于流动空气中的物体的前后的压力差，导致气流附面层分离，从而产生的阻力。第二章第页67I.顺压梯度与逆压梯度顺压：A到B，沿流向压力逐渐减小，如机翼上表面前段。逆压：B到C，沿流向压力逐渐增加，如机翼上表面后段。ABC第二章第页68II.附面层分离在逆压梯度作用下，附面层底层出现倒流，与上层顺流相互作用，形成漩涡脱离物体表面的现象。分离点第二章第页69●分离区的特点一分离区内漩涡是一个个单独产生的，它导致机翼的振动。第二章第页70●分离区的特点二分离区内压强几乎相等，并且等于分离点处的压强。P分离点P1P2P3P4P分离点=P1=P2=P3=P4第二章第页71●分离区的特点三附面层分离的内因是空气的粘性，外因是因物体表面弯曲而出现的逆压梯度。ABCABCPPP第二章第页72●分离点与最小压力点的位置ABC最小压力点分离点第二章第页73●分离点与转捩点的区别层流变为紊流（转捩），顺流变为倒流（分离）。分离可以发生在层流区，也可发生在紊流区。转捩和分离的物理含义完全不同。第二章第页74III.压差阻力的产生气流流过机翼后，在机翼的后缘部分产生附面层分离形成涡流区，压强降低；而在机翼前缘部分，气流受阻压强增大，这样机翼前后缘就产生了压力差，从而使机翼产生压差阻力。第二章第页75●分离点位置与压差阻力大小的关系分离点靠前，压差阻力大。分离点靠后，压差阻力小。ABCC’'BCCPPP第二章第页76●影响压差阻力的因素总的来说，飞机压差阻力与迎风面积、形状和迎角有关。迎风面积大，压差阻力大。迎角越大，压差阻力也越大。压差阻力在飞机总阻力构成中所占比例较小。第二章第页77③干扰阻力飞机的各个部件，如机翼、机身、尾翼的单独阻力之和小于把它们组合成一个整体所产生的阻力，这种由于各部件气流之间的相互干扰而产生的额外阻力，称为干扰阻力。第二章第页78●干扰阻力的消除干扰阻力在飞机总阻力中所占比例较小。飞机各部件之间的平滑过渡和整流包皮，可以有效地减小干扰阻力的大小。第二章第页79④诱导阻力由于翼尖涡的诱导，导致气流下洗，在平行于相对气流方向出现阻碍飞机前进的力，这就是诱导阻力。第二章第页80I.翼尖涡的形成正常飞行时，下翼面的压强比上翼面高，在上下翼面压强差的作用下，下翼面的气流就会绕过翼尖流向上翼面。这样形成的漩涡流称为翼尖涡。（注意旋转方向）第二章第页81正常飞行时，下翼面的压强比上翼面高，在上下翼面压强差的作用下，下翼面的气流就会