空气动力学基础

第二章低速空气动力学基础

当前第1页\共有126页\编于星期一\8点本章主要内容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第二章第页2当前第2页\共有126页\编于星期一\8点2.1空气流动的描述当前第3页\共有126页\编于星期一\8点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4当前第4页\共有126页\编于星期一\8点流体模型化理想流体，不考虑流体粘性的影响。不可压流体，不考虑流体密度的变化，Ma<0.4。绝热流体，不考虑流体温度的变化，Ma<0.4。第二章第页5当前第5页\共有126页\编于星期一\8点相对气流运动方向相对气流方向自然风方向第二章第页6当前第6页\共有126页\编于星期一\8点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7当前第7页\共有126页\编于星期一\8点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8当前第8页\共有126页\编于星期一\8点风洞实验段及实验模型第二章第页9当前第9页\共有126页\编于星期一\8点风洞的其它功用第二章第页10当前第10页\共有126页\编于星期一\8点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11当前第11页\共有126页\编于星期一\8点相对气流方向就是飞机速度的反方向第二章第页12当前第12页\共有126页\编于星期一\8点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13当前第13页\共有126页\编于星期一\8点水平飞行、上升、下降时的迎角上升平飞下降第二章第页14当前第14页\共有126页\编于星期一\8点迎角探测装置第二章第页15当前第15页\共有126页\编于星期一\8点2.1.4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16当前第16页\共有126页\编于星期一\8点流管：由许多流线所围成的管状曲面。第二章第页17当前第17页\共有126页\编于星期一\8点流线和流线谱流线谱是所有流线的集合。第二章第页18当前第18页\共有126页\编于星期一\8点流线和流线谱的实例第二章第页19当前第19页\共有126页\编于星期一\8点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20当前第20页\共有126页\编于星期一\8点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21当前第21页\共有126页\编于星期一\8点2.1.5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22当前第22页\共有126页\编于星期一\8点连续性定理12A1,v1A2,v2单位时间内流过截面1的流体体积为单位时间内流过截面1的流体质量为同理，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：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23当前第23页\共有126页\编于星期一\8点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24当前第24页\共有126页\编于星期一\8点2.1.6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25当前第25页\共有126页\编于星期一\8点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：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26当前第26页\共有126页\编于星期一\8点伯努利定理—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。—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。—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27当前第27页\共有126页\编于星期一\8点深入理解动压、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28当前第28页\共有126页\编于星期一\8点同一流管：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29当前第29页\共有126页\编于星期一\8点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30当前第30页\共有126页\编于星期一\8点2.1.7连续性定理和伯努利定理的应用用文邱利管测流量2A1,v1,P1A2,v2,P21文邱利管测流量第二章第页31当前第31页\共有126页\编于星期一\8点空速管测飞行速度的原理第二章第页32当前第32页\共有126页\编于星期一\8点与动压、静压相关的仪表空速表高度表升降速度表第二章第页33当前第33页\共有126页\编于星期一\8点空速表第二章第页34当前第34页\共有126页\编于星期一\8点升降速度表第二章第页35当前第35页\共有126页\编于星期一\8点高度表第二章第页36当前第36页\共有126页\编于星期一\8点本章主要内容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第二章第页37当前第37页\共有126页\编于星期一\8点2.2升力当前第38页\共有126页\编于星期一\8点升力重力拉力阻力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39当前第39页\共有126页\编于星期一\8点2.2.1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40当前第40页\共有126页\编于星期一\8点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41当前第41页\共有126页\编于星期一\8点P1v1P2v2升力的产生原理第二章第页42当前第42页\共有126页\编于星期一\8点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43当前第43页\共有126页\编于星期一\8点2.2.2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。矢量表示法第二章第页44当前第44页\共有126页\编于星期一\8点驻点和最低压力点

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45当前第45页\共有126页\编于星期一\8点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46当前第46页\共有126页\编于星期一\8点2.2.3升力公式—飞机的升力系数—飞机的飞行动压—机翼的面积。第二章第页47当前第47页\共有126页\编于星期一\8点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。

第二章第页48当前第48页\共有126页\编于星期一\8点本章主要内容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第二章第页49当前第49页\共有126页\编于星期一\8点2.3阻力当前第50页\共有126页\编于星期一\8点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51当前第51页\共有126页\编于星期一\8点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52当前第52页\共有126页\编于星期一\8点2.3.1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附面层的形成第二章第页53当前第53页\共有126页\编于星期一\8点附面层厚度较薄第二章第页54当前第54页\共有126页\编于星期一\8点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55当前第55页\共有126页\编于星期一\8点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。第二章第页56当前第56页\共有126页\编于星期一\8点附面层厚度随气流流经物面的距离增长而增厚。l第二章第页57当前第57页\共有126页\编于星期一\8点附面层厚度随气流流经物面的距离增长而增厚。l第二章第页58当前第58页\共有126页\编于星期一\8点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59当前第59页\共有126页\编于星期一\8点层流的不稳定性123abc第二章第页60当前第60页\共有126页\编于星期一\8点层流附面层和紊流附面层的速度型第二章第页61当前第61页\共有126页\编于星期一\8点2.3.2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62当前第62页\共有126页\编于星期一\8点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63当前第63页\共有126页\编于星期一\8点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64当前第64页\共有126页\编于星期一\8点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65当前第65页\共有126页\编于星期一\8点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66当前第66页\共有126页\编于星期一\8点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67当前第67页\共有126页\编于星期一\8点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68当前第68页\共有126页\编于星期一\8点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69当前第69页\共有126页\编于星期一\8点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70当前第70页\共有126页\编于星期一\8点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。ABC第二章第页71当前第71页\共有126页\编于星期一\8点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72当前第72页\共有126页\编于星期一\8点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73当前第73页\共有126页\编于星期一\8点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74当前第74页\共有126页\编于星期一\8点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’第二章第页75当前第75页\共有126页\编于星期一\8点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76当前第76页\共有126页\编于星期一\8点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77当前第77页\共有126页\编于星期一\8点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78当前第78页\共有126页\编于星期一\8点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79当前第79页\共有126页\编于星期一\8点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80当前第80页\共有126页\编于星期一\8点正常飞行时，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，就使下翼面的流线由机翼的翼根向翼尖倾斜，上翼面反之。翼尖涡的形成第二章第页81当前第81页\共有126页\编于星期一\8点翼尖涡的形成由于上、下翼面气流在后缘处具有不同的流向，于是就形成旋涡，并在翼尖卷成翼尖涡，翼尖涡向后流即形成翼尖涡流。第二章第页82当前第82页\共有126页\编于星期一\8点翼尖涡形成的进一步分析注意旋转方向第二章第页83当前第83页\共有126页\编于星期一\8点翼尖涡的立体形态第二章第页84当前第84页\共有126页\编于星期一\8点翼尖涡的形态第二章第页85当前第85页\共有126页\编于星期一\8点下洗流（DownWash）和下洗角由于两个翼尖涡的存在，会导致在翼展范围内出现一个向下的诱导速度场，称为下洗。在亚音速范围内，这下洗速度场会覆盖整个飞机所处空间范围。第二章第页86当前第86页\共有126页\编于星期一\8点下洗角下洗速度的存在，改变了翼型的气流方向，使流过翼型的气流向下倾斜，这个向下倾斜的气流称为下洗流，下洗流与相对气流之间的夹角称为下洗角ε。第二章第页87当前第87页\共有126页\编于星期一\8点下洗速度沿翼展分布不同平面形状的机翼，沿展向下洗速度的分布是不一样的。第二章第页88当前第88页\共有126页\编于星期一\8点诱导阻力的产生有限展长机翼与无限展长机翼相比，由于前者存在翼尖涡和下洗速度场，导致前者的总空气动力较后者更加后斜，即前者总空气动力沿飞行速度方向（即远前方相对气流方向）的分量较后者更大。这一增加的阻力即为诱导阻力。LL’D第二章第页89当前第89页\共有126页\编于星期一\8点影响诱导阻力的因素机翼平面形状：椭圆形机翼的诱导阻力最小。展弦比越大，诱导阻力越小升力越大，诱导阻力越大平直飞行中，诱导阻力与飞行速度平方成反比翼梢小翼可以减小诱导阻力第二章第页90当前第90页\共有126页\编于星期一\8点低展弦比使翼尖涡变强，诱导阻力增加。高展弦比使翼尖涡减弱，诱导阻力变小。展弦比对诱导阻力的影响第二章第页91当前第91页\共有126页\编于星期一\8点展弦比对诱导阻力的影响机翼展弦比倒数诱导阻力系数减少的百分比升力系数不变第二章第页92当前第92页\共有126页\编于星期一\8点高展弦比飞机第二章第页93当前第93页\共有126页\编于星期一\8点空速大小对诱导阻力大小的影响阻力诱导阻力空速空速小，下洗角大，诱导阻力大空速大，下洗角小，诱导阻力小第二章第页94当前第94页\共有126页\编于星期一\8点翼梢小翼第二章第页95当前第95页\共有126页\编于星期一\8点翼梢小翼可以减小诱导阻力第二章第页96当前第96页\共有126页\编于星期一\8点翼梢小翼可以减小诱导阻力翼梢小翼改变了机翼沿展向分布的翼载荷。第二章第页97当前第97页\共有126页\编于星期一\8点翼梢小翼可以减小总阻力第二章第页98当前第98页\共有126页\编于星期一\8点阻力公式—飞机的阻力系数—飞机的飞行动压—机翼的面积。第二章第页99当前第99页\共有126页\编于星期一\8点回顾阻力组成摩擦阻力(SkinFrictionDrag)压差阻力(FormDrag)干扰阻力(InterferenceDrag)诱导阻力(InducedDrag)废阻力(ParasiteDrag)第二章第页100当前第100页\共有126页\编于星期一\8点阻力相关资料典型飞机阻力构成阻力名称亚音速运输机超音速战斗机单旋翼直升机摩擦阻力45%23%25%诱导阻力40%29%25%干扰阻力7%6%40%激波阻力3%35%5%其他阻力5%7%5%第二章第页101当前第101页\共有126页\编于星期一\8点总空气动力升力和阻力之和称为总空气动力。第二章第页102当前第102页\共有126页\编于星期一\8点本章主要内容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第二章第页103当前第103页\共有126页\编于星期一\8点2.5增升装置的增升原理当前第104页\共有126页\编于星期一\8点迎角与速度的关系速度迎角飞机的升力主要随飞行速度和迎角变化。在大速度飞行时，只要求较小迎角，机翼就可以产生足够的升力维持飞行。在小速度飞行时，则要求较大的迎角，机翼才能产生足够的升力来维持飞行。第二章第页105当前第105页\共有126页\编于星期一\8点为什么要使用增升装置用增大迎角的方法来增大升力系数从而减小速度是有限的，飞机的迎角最多只能增大到临界迎角。因此，为了保证飞机在起飞和着陆时，仍能产生足够的升力，有必要在机翼上装设增大升力系数的装置。增升装置用于增大飞机的最大升力系数，从而缩短飞机在起飞着陆阶段的地面滑跑距离。第二章第页106当前第106页\共有126页\编于星期一\8点主要增升装置包括：前缘缝翼后缘襟翼前缘襟翼第二章第页107当前第107页\共有126页\编于星期一\8点前缘缝翼前缘缝翼位于机翼前缘，在大迎角下打开前缘缝翼，可以延缓上表面的气流分离，从而使最大升力系数和临界迎角增大。在中小迎角下打开前缘缝翼，会导致机翼升力性能变差。第二章第页108当前第108页\共有126页\编于星期一\8点前缘缝翼下翼面高压气流流过缝隙，贴近上翼面流动。一方面降低逆压梯度，延缓气流分离，增大最大升力系数和临界迎角。另一方面，减小了上下翼面的压强差，减小升力系数。第二章第页109当前第109页\共有126页\编于星期一\8点前缘缝翼对压强分布的影响较大迎角下，使用前缘缝翼可以增加升力系数。第二章第页110当前第110页\共有126页\编于星期一\8点后缘襟翼分裂襟翼（TheSplitFlap）简单襟翼（ThePlainFlap）开缝襟翼（TheSlottedFlap）后退襟翼（TheFowlerFlap）后退开缝襟翼（TheSlottedFowlerFlap）放下后缘襟翼，使升力系数和阻力系数同时增大。因此，在起飞时放小角度襟翼，着陆时，放大角度襟翼。第二章第页111当前第111页\共有126页\编于星期一\8点分裂襟翼（TheSplitFlap）分裂襟翼是一块从机翼后段下表面向下偏转而分裂出的翼面，它使升力系数和最大升力系数增加，但临界迎角减小。第二章第页112当前第112页\共有126页\编于星期一\8点放下分裂襟翼后，在机翼和襟翼之间的楔形区形成涡流，压强降低，吸引上表面气流流速增加，上下翼面压差增加，从而增大了升力系数，延缓了气流分离。此外，放下分裂襟翼使得翼型弯度增大，上下翼面压差增加，从而也增大了升力系数。分裂襟翼（TheSplitFlap）第二章第页113当前第113页\共有126页\编于星期一\8点简单襟翼（ThePlainFlap）简单襟翼与副翼形状相似。放下简单襟翼，增加机翼弯度，进而增大上下翼面压强差，增大升力系数。但是放简单襟翼使得压差阻力和诱导阻力增大，阻力比升力增大更多，使得升阻比降低。第二章第页114当前第114页\共有126页\编于星期一\8点大迎角下放简单襟翼，升力系数及最大升力系数增加，阻力系数增加，升阻比降低（即空气