北京航空航天大学飞行器空气动力学经典课件——空气动力学基础

飞机原理与构造第二章空气动力学基础航空机电教研室陈金瓶大气的重要物理参数大气层的构造国际标准大气流体流动的基本概念流体流动的基本规律机翼几何外形和参数作用在飞机上的空气动力内容简介大气的重要物理参数1.大气密度2.大气温度3.大气压力4.粘性5.可压缩性6.雷诺数和马赫数1.大气密度ρ◦是指单位体积内的空气质量，用ρ表示，单位：kg/m3，则有：◦空气的密度大，单位体积内的空气分子多，比较稠密；反之，比较稀薄。◦由于地心引力的作用，ρ随高度H的增加而减小，近似按指数曲线变化。=/mV2.大气温度T◦是指大气层内空气的冷热程度。微观上来讲，温度体现了空气分子运动剧烈程度。所以说温度是大量分子热运动的集体表现，含有统计意义。对于个别分子来说，温度是没有意义的。◦摄氏温标（℃）◦绝对温标（K）◦华氏温标（℉）◦这三种温度单位的换算关系可表示为：9325273.15FCKCTTTT3.大气压力p◦是指作用在单位面积且方向垂直于此面积（沿内法线方向）的力。就空气来讲，空气的压力是众多空气分子在物体表面不断撞击产生的结果。在飞机上产生的空气动力中，特别是升力，大都来自于飞机外表面上的空气压力。◦单位：毫米汞柱（mmHg）、帕（Pa（N/m2））、每平方英寸磅（Psi）等，其中，帕（Pa（N/m2））为国际计量单位。◦规定在海平面温度为15℃时的大气压力即为一个标准大气压，表示为760mmHg或1.013×105Pa。大气压力随高度的变化如图◦完全气体◦是气体分子运动论中采用的一种模型气体。它的分子体积和气体所占空间相比较可以忽略不计、分子间的相互作用力也忽略不计。◦在室温和通常压力范围内的气体基本符合这些假设，所以空气可以看作为一种完全气体。◦对于完全气体，有pRT4.粘性μ◦当流体内两相邻流层的流速不同时，两个流层接触面上便产生相互粘滞和相互牵扯的力，这种特性就叫粘性。◦实验表明：流体的粘性力F与相邻流层的速度差Δv=v1-v2、接触面的面积ΔS成正比，和相邻流层的距离Δy成反比。vFSyFvSy或◦F——流体的粘性力◦μ——流体的动力粘性系数◦Δv/Δy——横向速度梯度。◦ΔS——接触面的面积◦τ——单位接触面积上的粘性力vFSyFvSy或1vy◦流体动力粘性系数μ在数值上等于横向速度梯度为1时，作用在单位面积上的粘性力。所以μ可以作为量度流体粘性大小的尺度，单位是Pa·S。◦常温下◦空气μ=1.81×10-5Pa·S◦水μ=1.002×10-3Pa·S◦甘油μ=1.4939Pa·S◦粘性系数：液体＞气体◦随着温度的升高◦气体μ↑流层间内摩擦力增大◦液体μ↓分子间内聚力减小◦用管道来运输液体（如石油）时，对液体加温（特别是寒冷地区的冬季），有减小流动损失、节能省耗的效果5.可压缩性E◦是指一定量的空气在压力变化时，其体积发生变化的特性。可压缩性用体积弹性模量E来衡量，其定义为产生单位相对体积变化所需的压力增量。E值越大，流体越难被压缩。◦在通常压力下，空气的E值相当小，约为水的1/20000。因此，空气具有压缩性，而水则视为不可压缩流体。◦一般情况下飞机低速飞行（Ma＜0.3）时，视为不可压缩流体；高速飞行（Ma≥0.3）时，则必须考虑空气的可压缩性。6.音速c◦是指声波在介质中传播的速度，单位为m/S。◦实验表明，在水中声速约为1440m/S，而在海平面标准状态下，在空气中的声速只有341m/S。而我们又知道水难被压缩，空气易被压缩，由此可以推论：◦流体的可压缩性小，声速大。◦显然，在不可压缩流体、固体中，声速→∞。◦大气中，声速的计算公式为◦式中，T是空气的热力学温度，单位为K!!!。20cT7.马赫数和雷诺数◦马赫数的定义是◦式中，v是飞行速度，c是当地声速（即飞行高度上大气中的声速）。Ma是个无量纲量，它的大小可以作为空气受到压缩程度的指标。Ma＜0.8亚音速；0.8＜Ma＜1.3跨音速1.3＜Ma＜5.0超音速Ma＞5.0高超音速/Mavc◦雷诺数的定义是◦ρ、μ——飞行高度上大气的密度和动力粘性系数◦l——是飞机的特征尺寸◦v——是飞行速度◦Re表征了流体运动中惯性力与粘性作用的关系。可以发现，Re越小，说明空气粘性的作用越大，对流场的影响是主要的；反之Re越大，惯性力的作用越大。Revl大气的重要物理参数大气层的构造国际标准大气流体流动的基本概念流体流动的基本规律机翼几何外形和参数作用在飞机上的空气动力内容简介大气层的构造1.大气层的构造一、对流层二、平流层三、中间层四、电离层五、散逸层五、散逸层：是大气的最外层，从电离层顶部到大气层的最外边缘。由于地心引力很小，大气分子不断向星际空间散逸。二、平流层（同温层）◆高度范围：11～50km。◆11～20km，温度不随高度而变化，常年平均值为-56.5℃◆20～50km温度随高度的增加上升◆空气稀薄，水蒸气极少◆没有云、雨、雪、雹等现象◆没有垂直方向的风，只有水平方向的风，而且风向稳定◆大气能见度好、空气阻力小，对飞行有利，现代喷气式客机多在11～12km的平流层底层飞行。一、对流层◆大气中最低的一层，在地球中纬度地区，高度范围0～11km。◆包含全部大气3/4的质量◆天气变化最复杂的一层，有云、雨、雪、雹等现象。◆空气的水平流动和垂直流动，形成水平方向和垂直方向的阵风◆其压强、密度、温度和音速均随高度的增加而降低。三、中间层◆高度范围：50～80km◆空气十分稀薄，温度随高度的增加而下降◆空气在垂直方向有强烈的运动。四、电离层◆高度范围80～800km◆空气处于高度的电离状态，氮、氧分子电离成为离子和自由电子，带有很强的导电性，能吸收、反射和折射无线电波。所以这一层对无线电通信很重要◆由于空气电离放出的热量，温度很高并随着高度的增加而上升。◆也被称为暖层或热层◆空气密度极小，声波已无法传播大气的重要物理参数大气层的构造国际标准大气流体流动的基本概念流体流动的基本规律机翼几何外形和参数作用在飞机上的空气动力内容简介国际标准大气◦国际标准大气具有以下的规定：◦1.大气是静止的、洁净的，且相对湿度为零。◦2.空气被视为完全气体，即其物理参数（密度、温度和压力）的关系服从完全气体的状态方程p=ρRT◦3.海平面作为计算高度的起点，即H=0处。大气的重要物理参数大气层的构造国际标准大气流体流动的基本概念流体流动的基本规律机翼几何外形和参数作用在飞机上的空气动力内容简介流体流动的基本概念相对运动原理连续性假设流场、定常流和非定常流流线、流线谱、流管和流量1.相对运动原理◦空气相对飞机的运动称为相对气流，相对气流的方向与飞机运动的方向相反。只要相对气流速度相同，产生的空气动力也就相等。将飞机的飞行转换为空气的流动，使空气动力问题的研究得到简化。飞机的运动方向与相对气流的方向2.连续介质假设◦连续性假设是指把流体看成连绵一片的、没有间隙的、充满了它所占据的空间的连续介质。◦空气分子是2.7×1019个/cm3◦空气分子的平均自由程约为6×10-6cm◦空气分子的平均直径约为3.7×10-8cm◦两者之比约为170:1◦因此从微观上来说，空气是一种有间隙的不连续介质。◦飞机的特征尺寸一般以m计，至少以cm计，比流体分子的平均自由程大得多◦因此，一般不研究流体分子的个别运动，而是研究流体的宏观运动，即将空气看成连续介质。◦在某些情况下，例如在120km的高空，空气分子的平均自由行程和飞行器的特征尺寸在同一数量级，连续介质假设就不再成立。四、电离层◆高度范围80～800km◆空气处于高度的电离状态，对无线电通信很重要◆温度很高并随着高度的增加而上升。也被称为暖层或热层◆空气密度极小，声波已无法传播3.流场、定常流和非定常流◦流体流动所占据的空间称为流场，用来描述表示流体运动特征的物理量，如速度、密度、压力等等。◦在流场中的每一点处，如果流体微团的物理量随时间变化，这种流动就称为非定常流动，这种流场被称为非定常流场；反之，则称为定常流动和定常流场。4.流线、流线谱、流管◦流线是在流场中用来描绘流体微团流动状态的曲线。在流线每一点上，曲线的切线方向正是流体微团流过该点时流动速度的方向。◦在流场中，用流线组成的描绘流体微团流动情况的图画称为流线谱。v◦在流场中取一条不是流线的封闭曲线，通过曲线上各点的流线形成的管形曲面称为流管。因为通过曲线上各点流体微团的速度都与通过该点的流线相切，所以只有流管截面上有流体流过，而不会有流体通过管壁流进或流出。流体流动的基本规律连续性定理伯努利定理1.连续性定理◦连续性定理是质量守恒定律在流体流动中的应用。对于低速流体，当流体连续不断而稳定地流过一个粗细不等的管道时，由于管道中任何一部分的流体都不能中断或挤压起来，因此在同一时间内，流进任一切面的流体的质量和从另一切面流出的流体质量是相等的。流体连续性方程：1S1v1=2S2v2=3S3v3=……=const.即：Sv=const.对于低速流体，流体不可压缩，即：1=2=3=……可得：S1v1=S2v2=S3v3=……=const.即：Sv=const.低速流体在一个管道中流动时，管道剖面小的地方流速大，管道剖面大的地方流速小。2.伯努利定理◦连续性定理是能量守恒定律在流体流动中的应用。管道中以稳定的速度流动的流体，若流体为不可压缩的理想流体（没有粘性），则沿管道各点的流体的动压与静压之和等于常量。◦p+0.5v2=P=const◦静压：就是“压能”，即势能的一种，也就是压力◦动压：气体具有流动速度，受阻力时，由于动能转变为压力能而引起的超过流体静压力部分的压力低速流动空气的特性◦根据流体连续性定理和伯努利定理，可以得到以下结论：流体在管道中流动时，凡是管道剖面大的地方，流体的流速就小，流体的静压就大，而管道剖面小的地方，流速就大，静压就小。即：◦若S1＞S2＞S3◦则v1＜v2＜v3p1＞p2＞p3实验验证◦空气静止时，各处大气压力都一样，等于此处的大气压力，测压管中指示剂液面的高度都相等。◦空气以某一速度连续稳定地流过管道，空气压力下降，所有液面均有所升高，但升高的量却不一样◦管截面最细处，速度最快，静压最小，动压最大。“钓鱼岛撞船事件”中的流体运动规律分析机翼的几何外形和参数机翼翼型的形状和参数机翼平面的形状和参数机翼相对机身的安装位置就是用平行于飞机机身对称平面的平面切割机翼所得的剖面。圆头尖尾翼型尖头尖尾翼型早期飞机：平板和弯板流线型：提高飞行性能翼型（翼剖面）的形状弦线:前缘与后缘之间的连线。弦长：弦线的长度，又称为几何弦长。用b表示，是翼型的特征尺寸。翼型的参数（一）厚度t：上下翼面在垂直于翼弦方向的距离，其中最大者称为最大厚度tm最大相对厚度t’：t’=tm/b最大相对厚度位置x’：x’=xm/b翼型的参数（二）中弧线（中线）：在弦向任一位置x处，垂直于弦线的直线与上、下表面交点的中点连接起来所构成的线。弯度fm：中弧线与翼弦之间的距离最大相对弯度f’：f’=fm/b最大相对弯度位置x’：x’=xm/b翼型的参数（三）前缘半径rp后缘角τ：翼型上下表面周线在后缘处切线的夹角迎角α翼型的参数（四）翼型的分类１全对称翼：上下弧线均凸且对称，一般用于尾翼２半对称翼：上下弧线均凸但不对称，常用于低亚音速飞机的机翼３克拉克Y翼：下弧线为一直线，也叫平凸翼４S型翼：中弧线是一个平躺的S型，因攻角改变时，压力中心不变动，常用于无尾翼机５内凹翼：又叫凹凸翼型，下弧线在翼弦上面，升力系数大，常见于早期飞机及牵引滑翔机，所有鸟类除蜂鸟外都是这种翼型NACA24152——相对弯度，即中弧线的最大弧高为2%4——相对弯度位置位于翼弦前缘的40%15——相对厚度，即最大厚度是弦长的15%NACA0012NACA四位数翼型族机