第二章-空气动力学(民航大学)

第2章空气动力学2.1流体流动的基本概念2.2流体流动的基本规律2.3机体几何外形和参数2.4作用在飞机上的空气动力2.5机翼表面积冰（雪、霜）对飞机飞行性能的影响2.6高速飞行的一些特点2.1流体流动的基本概念相对运动原理飞机在空中飞行时，相当于飞机静止，空气以等速、反方向运动。在这两种情况下，飞机与空气之间产生的空气动力是完全相同的。只要相对气流速度相同，飞机产生的空气动力就相同。飞机的相对气流方向与飞行速度方向相反●对相对气流的现实应用直流式风洞回流式风洞●风洞实验段及实验模型迎角迎角就是相对气流方向与翼弦之间的夹角。相对气流方向就是飞机速度的反方向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。水平飞行、上升、下降时的迎角2.1流体流动的基本概念连续性假设连续性假设不去考虑分子间存在的空隙，而把流体视为由无数连续分布的流体微团所组成的连续介质。理由是空气分子的平均自由程要比飞机的尺寸小得多。空气与飞机之间的相互作用不是单个分子所为，而是无数分子共同作用的结果。流体既被看成是连续介质，则反映宏观流体的各种物理量都是空间和时间的连续函数。因此，可以引用连续函数的数学分析工具，来研究流体各种运动状态下的有关物理量之间的数量关系。理想流体，不可压缩流体？2.1流体流动的基本概念流场流体流动所占据的空间非定常流和定常流在流场中的任何一点处，流体微团的流动参数（速度、压力、温度、密度）随时间变化为非定常流。在流场中的任何一点处，流体微团的流动参数（速度、压力、温度、密度）不随时间变化为定常流。2.1流体流动的基本概念流线和流线谱流线就是流场中某一瞬时的一条空间曲线，在该曲线上各点的流体质点所具有的速度方向与曲线在该点的切线方向重合。定常流的流线形状始终不变。迹线流体质点的运动轨迹。2.1流体流动的基本概念流管在流场中画一封闭曲线C(不是流线)，经过曲线C的每一点作流线，由这许多流线所围成的管状曲面称为流管。注意流体不能穿越流管壁。qm=ρAv2.2流体流动的基本规律流体的连续性定理在定常流动中，流体连续并稳定的在流管中流动，通过流管各截面的质量流量相等。即：ρ1A1v1=ρ2A2v2=C12A1,v1A2,v22.2流体流动的基本规律对于不可压流体（ρ=常数）：A1v1=A2v2=A3v3结论当流体以稳定的流速在管道内流动时，流体的流速与流管的横截面积成反比：流管剖面面积小的地方平均流速大流管剖面面积大的地方平均流速小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高楼大厦之间的对流通常比空旷地带大日常的生活中的连续性定理2.2流体流动的基本规律伯努利定理是能量守恒定律在流体流动中的应用。对于不可压缩的、理想流体，在一个与外界没有能量交换的系统中定常流动，流体具有的能量可以在压力能和动能之间进行转换，但能量的总和保持不变。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。伯努利定理伯努利方程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。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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。伯努利定理适用条件2.2流体流动的基本规律结合连续方程和伯努利方程可以得出结论：不可压缩、理想流体定常流动时，在管道剖面面积减小的地方，流速增大，流体的动压增大，静压减小。在管道剖面面积增大的地方，流速减小，流体的动压减小，静压增大。22212122112121vpvpvAvA①用文邱利管测流量2A1,v1,P1A2,v2,P2122212212/1/vPPAA21212211221122AvvAvPvP连续性定理和伯努利定理的应用②空速管测飞行速度的原理2102vPP02()PPv2.3机体几何外形和参数机翼的几何外形和参数机翼翼型、机翼平面形状和机翼相对机身的安装位置。翼型2.3机体几何外形和参数机翼翼型弦线、弦长（几何弦长），b。最大厚度、相对厚度，最大厚度位置，c。中弧线（中线）、最大弯度，相对弯度，最大弯度位置，f。各种不同的翼型低亚音速飞机翼型相对厚度约为12%——18%，最大厚度位置为30%左右。目前民用运输机机翼翼型的相对厚度约为8%——16%，最大厚度位置约为35%——50%。随着飞行速度的提高，翼型的相对厚度逐渐减小，最大厚度的位置向后移动；翼型的相对弯度也逐渐减小。低速飞机机翼采用的翼型弯度较大，相对弯度约为4%——6%，最大弯度位置靠前，高速飞机大多采用对称翼型。各种不同的翼型超音速尾翼低亚音速2.3机体几何外形和参数机翼平面形状和参数机翼面积梢根比展长展弦比，λ=L/b=L/b平均=L2/S。2.3机体几何外形和参数后掠角沿机翼展向等百分比弦线点连线与垂直机身中心线的直线之间的夹角，χ。平均空气动力弦长与实际机翼面积相等，气动力矩特性相同的当量矩形机翼的弦长，bA。它是计算焦点位置，纵向力矩系数等的一种基准弦长。机翼后掠角2.3机体几何外形和参数机翼相对机身的安装位置相对机身中心线的高度位置：上单翼、下单翼和中单翼。2.3机体几何外形和参数机翼相对机身的角度：安装角，机翼弦线与机身中心线之间的夹角。早期低速飞机可以通过调整外撑杆的长度来调整机翼的安装角：加大安装角叫内洗，减小安装角叫外洗。2.3机体几何外形和参数上反角和下反角：机翼底面与垂直机体立轴平面之间的夹角，ψ。纵向上反角：机翼安装角与水平尾翼安装角之差。机身的几何形状和参数机身长度Lsh、最大当量直径Dsh及其所在轴向相对位置和长细比λsh=Lsh/Dsh。2.4作用在飞机上的空气动力空气作用在与之有相对运动物体上的力称为空气动力。压力中心P1v1P2v22211112222PvPv12vv12PP211102PvP212202PvP●升力的产生原理37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●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。②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。压力系数221VPPCP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)。●升力的产生原理机翼的空气动力小迎角下作用在机翼上的空气动力α伯努利定理的应用阻力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。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)升力粘性阻力的分类气流在机体表面的流动状态速度不受干扰的主流附面层边界物体表面附面层，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。附面层厚度随气流流经物面的距离增长而增厚。l附面层的特点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。附面层的特点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附面层的特点层流附面层和紊流附面层附面层转变的原因气流流过机体表面的距离越长，附面层越厚。机体表面过于粗糙、凹凸不平。层流附面层和紊流附面层紊流附面层VS层流附面层紊流附面层比层流附面层厚，底部的横向速度梯度也比层流的大。紊流附面层对气流的阻滞作用比层流附面层大。层流附面层和紊流附面层的速度型气流在机体表面的流动状态附面层的分离返回驻点A最低压力点B阻力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。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。摩擦阻力影响摩擦阻力的因素摩擦阻力是由于空气有粘性而产生的阻力，存在于附面层内。影响因素：空气的粘性附面层内气流的流动状态（紊流大于层流）。机体与气流的接触面积越大，机体表面越粗糙，摩擦阻力越大。SyF)/(层流附面层和紊流附面层的速度型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%减小摩擦阻力的措施减小摩擦阻力的措施使附面层保持层流状态。(1)采用层流翼型，前缘半径小，最大厚度靠后。返回减小摩擦阻力的措施(2)附面层控制减小摩擦阻力的措施(3)保持机体表面的光滑清洁。制造时，尽量考虑采用埋头铆钉铆接飞机表面上的结构件(如蒙皮)；钉头突出高度或凹进深度应符合设计要求。维护中，保持机体表面光滑整洁，特别是在主要的气动面，比如：机翼尾翼的前缘、上表面等。(4)尽可能减小飞机暴露在气流中的表面面积，也有助于减小摩擦阻力。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。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。压差阻力的产生影响压差阻力的因素1—圆形平板剖面；2—前部圆锥体；3—后部圆锥体分离点靠前，压差阻力大。分离点靠后，压差阻力小。ABCC’'BCCPPP分离点位置与压差阻力大小的关系影响压差阻力的因素影响压差阻力的因素压差阻力与物体的迎风面积、形状和在气流中的位置都有很大的关系。物体的迎风面积越大，压差阻力也就越大。物体越接近流线型，压差阻力就越小。流线型物体的轴线与气流平行时，可以使压差阻力减小。压差阻力在飞机总阻力构成中所占比例较小。减小飞机上的压差阻力的措施减小飞机上的压差阻力的措施①尽量减小飞机及各部件的迎风面积。②应尽可能把暴露在气流中的所有部件都做成流线型③飞行时，除了气动部件外其他部件的轴线应尽量与气流方向平行。安装角的作用？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。影响干扰阻力的因素影响因素干扰