飞机原理与构造第三讲低速空气动力学基础(2)

飞机原理与构造第三讲第二章低速空气动力学基础（续）2012/9/212012/9/22翼型的升力和阻力飞机的升力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。升力重力拉力阻力LiftPullWeightDrag2012/9/23翼型的升力和阻力飞机的升力飞机升力产生的原理——机翼上下表面的压力差S1S2V1V2ps1ps2机翼翼型的流线普ps2ps1机翼上、下表面出现了压力差。并将垂直于相对气流方向（或垂直于飞机运动方向）压力差的总和（集合），叫做机翼的升力。2012/9/24翼型的升力和阻力飞机升力产生的原理——机翼上下表面的压力差飞机的升力飞机升力的形成2012/9/25翼型的升力和阻力S1S2V1V2ps1ps2飞机的升力L增加升力↔增加机翼上、下表面压力差：主要有两条途径:——增大上缘(上弧线)曲率；——飞机以一定的迎角飞行。2012/9/26翼型的升力和阻力飞机的升力迎角:定义为气流速度矢量与翼弦之间的夹角，当气流吹向下翼面时为正，如图所示。VRDL2012/9/27翼型的升力和阻力不同于飞机的姿态飞机的升力迎角:定义为气流速度矢量与翼弦之间的夹角，当气流吹向下翼面时为正，如图所示。2012/9/28翼型的升力和阻力迎角有正迎角和负迎角，气流的方向指向机翼的下翼面，这时的迎角为正迎角，飞机的平飞和飞机的爬升飞行一般为正迎角飞行；气流的方向指向机翼的上翼面，这时的迎角为负迎角，飞机低头飞行和飞机的倒飞都是负迎角飞行。飞机的升力迎角负的迎角正的迎角2012/9/29翼型的升力和阻力通常，机翼的升力与迎角成正比。迎角增加，升力随之增大(图1、2)。当迎角增大到某一值时，则相反，迎角增加升力反而急剧下降。这个迎角称为临界迎角。当机翼迎角超过临界点时，流经上翼面的气流会出现严重分离，形成大量涡流，升力下降，阻力急剧增加。飞机减速并抖动，各操纵面传到杆、舵上的外力变轻，随后飞机下坠，机头下俯，这种现象称为失速。失速2012/9/210翼型的升力和阻力机翼的迎角大到了一定程度，会发生附面层分离，同时受外层气流的带动，向后下方流动，最后就会卷成一个封闭的涡流，叫做分离涡。分离涡内气流压强增加,从而使得机翼上下表面压力差“反向”,升力急剧下降、“反向”。导致飞机“掉高度”。失速2012/9/211翼型的升力和阻力失速事实上，飞机在任何情况下都可能失速，例如对正在高速飞行的特技飞机用机，突然猛拉操纵杆就很容易失速。或进入风切变区的飞机，由于气流作垂直运动，也可能导致迎角突然增大至超过“临界点”而失速。F22飞行失速训练2012/9/212翼型的升力和阻力升力计算翼型和迎角对升力的影响可以通过升力系数Cy表现出来。升力公式可以写为212yYCVS212yYCVS2012/9/213翼型的升力和阻力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。212yYCVS—飞机的升力系数212V—飞机的飞行动压S—机翼的面积yC2012/9/214翼型的升力和阻力烟风洞翼型绕流实验小迎角较大迎角大迎角2012/9/215翼型的升力和阻力升力系数随迎角的变化规律：当αα临界，升力系数随迎角增大而增大。当α=α临界，升力系数为最大。当αα临界，升力系数随迎角的增大而减小，进入失速区。2012/9/216翼型的升力和阻力升力曲线:一般当飞机的飞行高度和速度（马赫数）一定时，升力系数随迎角的变化如图所示，当迎角较小时可以写作.cr0V0VVcrVcr0yCmaxyC升力系数Cy与机翼迎角α的关系曲线max0()yyCC2012/9/217翼型的升力和阻力Cy=0的迎角(用α0表示)一般为负值(0º~4º)；Cy-α曲线在一个较大的范围内是直线段；Cy有一个最大值Cymax，而在接近最大值Cymax前曲线上升的趋势就已减缓Cy-α曲线的特点:cr0V0VVcrVcr0yCmaxyC2012/9/218翼型的升力和阻力翼型的压力分布矢量表示法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。2012/9/219翼型的升力和阻力驻点和最低压力点翼型的压力分布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。B点，称为最低压力点，是机翼上表面负压最大的点。2012/9/220翼型的升力和阻力翼型在不同迎角下的压强分布2012/9/221翼型的升力和阻力翼型在不同迎角下的压强分布2012/9/222翼型的升力和阻力升力作用线与翼弦的交点。压力中心：吸力压力2012/9/223翼型的升力和阻力压力中心（CP）位置随迎角改变的变化2012/9/224翼型的升力和阻力压力中心（CP）位置随迎角改变的变化2012/9/225翼型的升力和阻力1、机翼面积(S)机翼面积越大，则机翼上、下表面压力差的总和越大，所以升力也就越大。升力与机翼面积成正比。2、翼型翼型不同所产生的流线谱也就不同，因此所产生的升力也就不同（机翼上下表面）1）翼型相对厚度（c）2）最大厚度位置（Xc）3）相对弯度(f)影响升力大小的因素2012/9/226翼型的升力和阻力相对厚度对升力特性的影响：相对厚度增加相对厚度增加，最大升力系数增加，临界迎角减小。2012/9/227翼型的升力和阻力翼型前缘半径对升力特性的影响：半径小半径大前缘半径增加，临界迎角增加。2012/9/228翼型的升力和阻力展弦比高展弦比低展弦比越高，最大升力系数越大，临界迎角越小。展弦比对升力特性的影响：2012/9/229翼型的升力和阻力平直机翼的最大升力系数更大，升力系数曲线斜率越大，临界迎角越小。后掠翼对升力特性的影响：平直机翼后掠翼2012/9/230翼型的升力和阻力光滑粗糙翼型前缘粗糙度对升力特性的影响：翼型前缘越光滑，最大升力系数越高，临界迎角越大。2012/9/231翼型的升力和阻力空气是有粘性的，当气流流过一个物体时，紧贴物体表面的那层空气必然完全粘在上面，速度变为零，然后流速一点点增大，直到基本恢复到原来的流速发生变化的空气层就叫附面层或边界层。附面层的厚度很薄，而且与物面的长度成正比，即物面长度越大，附面层越厚。0.99VnV附面层：2012/9/232翼型的升力和阻力附面层2012/9/233翼型的升力和阻力层流和紊(湍)流:c流动趋于紊流细致地调节细管中红水的流速，当它与主流管内水流速度相近时，可以看到清水中有稳定而清晰的红色水平流线，表明这时主流管中各水层互不干扰地流动。这种水流叫做层流。b层流开始破坏a层流d紊流2012/9/234翼型的升力和阻力层流：液体质点互不干扰，液体的流动呈线性或层状，且平行于管道轴线；紊流：液体质点的运动杂乱无章，除了平行于管道轴线的运动以外，还存在着剧烈的横向运动。层流和紊(湍)流:2012/9/235翼型的升力和阻力层流和紊流是两种不同性质的流态。层流时，液体流速较低，质点受粘性制约，不能随意运动，粘性力起主导作用；紊流时，液体流速较高，粘性的制约作用减弱，惯性力起主导作用。液体流动时，究竟是层流还是紊流，要用雷诺数来判定。层流和紊(湍)流:2012/9/236翼型的升力和阻力雷诺数的物理意义：影响液体流动的力主要有惯性力和粘性力，雷诺数就是惯性力对粘性力的无因次比值。上临界雷诺数下临界雷诺数实验表明真正决定液流流动状态的是用管内的平均流速V、液体的运动粘度μ、管径d三个数所组成的一个称为雷诺数Re的无量纲数，即eVdRVd2012/9/237翼型的升力和阻力附面层：在附面层中，开始的流动很有层次，又叫层流，然后就会混乱，也叫紊流，再往后就会分离。附面层内的流动状态如何与空气动力关系极大，尤其是附面层出现分离后，升力会急剧下降，阻力猛增。飞行状态会因此受到影响。Vx紊流附面层层流附面层转捩点(区)2012/9/238翼型的升力和阻力附面层：层流，转捩区、紊流。2012/9/239翼型的升力和阻力P上V前P后V上P前V后顺压流动上前上前PPVV上后上后PPVV附面层发生分离机理简析迎角升力2012/9/240翼型的升力和阻力P上V前P后V上P前V后上前上前PPVV上后上后PPVV附面层发生分离机理简析迎角增大V=0P上=PtP下→-LP下L2012/9/241翼型的升力和阻力飞机阻力:飞机的阻力是平行于来流的空气动力分量，它产生的原因较升力复杂的多。VRDLTDWL阻力D一般按照产生的原因或性质分为摩擦阻力、激波阻力、压差阻力、诱导阻力、干扰阻力等。V2012/9/242翼型的升力和阻力翼型的升力、阻力、总的空气动力飞机运动方向飞机阻力升力阻力合力(总空气动力)飞机运动方向2012/9/243翼型的升力和阻力空气流过机翼，前缘受到阻挡，流速减慢，压强增大；在机翼后缘，压强减少，特别是在较大迎角下，由于气流分离形成涡流区，在涡流区内压强减少较多，机翼前后产生压强差，形成阻力，这种阻力叫做压差阻力。飞机的机身、尾翼等部分都会产生压差阻力。压差阻力：2012/9/244翼型的升力和阻力运动着的物体前后所形成的压强差所产生的同物体的迎风面积、形状和在气流中的位置都有很大的关系压差阻力2012/9/245翼型的升力和阻力压差阻力飞机相对气流的速度越大，机翼等部件的前、后气流压差越大，因此压差阻力越大。在前缘,气流受阻,流速变慢,压强增大p前在后缘,气流形成涡流区,空气旋转、摩擦导致动能损失、压强减小p后。2012/9/2翼型的升力和阻力46驻点驻点假设空气没有粘性实际空气有粘性压差阻力压差阻力根本原因是空气的粘性。流线产生的压差阻力较小，压差阻力也与物体表面的边界层状态。2012/9/247翼型的升力和阻力要减小压差阻力，应尽可能将暴露在空气中的各个部件或另件做成流线形的外形，并减小迎风面积。对不能收起的起落架和活塞式发动机都应加整流罩。机翼界面的流线谱圆柱的流线谱斜立平板的流线谱压差阻力2012/9/248翼型的升力和阻力要减小压差阻力:维护使用中，要保持好飞机的外形，不要碰伤飞机表面，各种舱的口盖应盖好，同时保持好飞机的密封性。压差阻力2012/9/249翼型的升力和阻力流线形机身以减少压差阻力压差阻力2012/9/250翼型的升力和阻力空气流过飞机时，由于空气有粘性，在贴近飞机表面的地方形成附面层。在附面层内．特别是附面层底层有显著的速度梯度，因此在飞机表面就存在摩擦力，其方向切于物面。飞机表面各处摩擦力在相对气流方向上的投影的总和，就是整个飞机的摩擦阻力。摩擦阻力：2012/9/251翼型的升力和阻力由空气的粘性造成附面层(层流附面层、紊流附面层)层流流动，摩擦阻力小；紊流流动，摩擦阻力大的多，尽量使物体表面的流动保持层流状态附面层摩擦阻力2012/9/252翼型的升力和阻力摩擦阻力和压差阻力合起来叫做“迎面阻力”，一个物体究竟哪种阻力占主要部分，主要取决于物体的形状。对于流线体，迎面阻力中主要是摩擦阻力。远离流线体的式样，压差阻力占主要部分，摩擦阻力则居次要位置，且总的迎面阻力也较大。迎面阻力：2012/9/253机翼的三元效应在研究机翼的升力和阻力时，常把机翼看成无限长的而取其中的一个剖面—翼型，来看其升力、阻力的产生。但实际飞机机翼的翼展是有限的。绕有限翼展和无限翼展的气流作用效果是有差别的。2012/9/254机翼的三元效应气流流过正迎角的机翼，下表面的气体绕过翼尖向上流动，产生横向运动，缓和了上、下翼面的压强差。所以升力系数比无限翼展的小。而且展弦比越小，横向流动所波及的相对范围越大，它的升力系数曲线的斜率自然越小。展弦比高展弦比低2012/9/255机翼的三元效应机翼下洗当气流流过翼尖，在翼尖处不断形成漩涡。漩涡从翼尖向后方流去，并产生下洗流。下洗流与诱导阻力2012/9/256机