固定翼无人机技术-翼型的空气动力特性

翼型的空气动力特性

翼型的空气动力特性3.1翼型的发展与几何参数定义翼型及其基本类型

通常将平行于飞机对称面的机翼横截面外形称为翼型（又称翼剖面）。它是组成机翼的基本元素，是产生升力的关键因素之一。空气绕翼型流动是一种二维流动，相当于绕无限展长矩形机翼的流动。作用在翼型上的空气动力是指作用在单位展长机翼上的力。翼型的几何参数翼型的几何参数定义弦长（c）相对弯度（）最大弯度相对位置（）相对厚度（）最大厚度相对位置（）前缘半径（r）

前缘与后缘的连线叫翼弦，其长度叫弦长或几何弦长。

最大弯度与弦长的比值，叫相对弯度。

翼型最大弯度所在位置到前缘的距离称为最大弯度位置，最大弯度相对位置以其与弦长的比值来表示。

翼型最大厚度与弦长的比值，叫翼型的相对厚度。

翼型最大厚度所在位置到前缘的距离，称为最大厚度位置，最大厚度相对位置以其与翼弦的比值来表示。

翼型前缘处的曲率半径，称为前缘半径。后缘角（τ）

翼型上下表面在后缘处的切线之间的夹角，称为后缘角典型的翼型族超临界翼型与常规翼型比较

与普通翼型相比，超临界翼型翼型的特点是前缘半径较大，中部上表面弯度较小，后部下表面在后缘处有反凹，且后缘较薄并向下弯曲。3.2

翼型的低速升阻特性翼型的空气动力学系数任意翼型低速气动特性雷诺数对翼型气动性能的影响翼型的空气动力学系数

迎角（angleofattack，旧称攻角），是指翼弦与来流V∞方向之间的夹角，用α表示。相对翼弦来说，来流上偏迎角为正；下偏迎角为负，相对气流方向与翼弦平行时，迎角为零。翼型的空气动力学系数

在描述飞机空气动力学特性时，经常使用无量纲的空气动力系数，翼型无量纲的空气动力系数定义如下（分母中的“1”是单位展长）。升力系数：阻力系数：力矩系数：升力的产生

空气流到机翼前缘，分为上下两段，分别沿机翼上下表面流过。由于机翼有一定正迎角，上表面又比较凸出（弯度＞0），所以，机翼上表面的流线弯曲很大，流管变细，流速加快，压力减小；下表面的流管变粗，流速减慢，压力增大。翼型表面的压力分布翼型的升力特性

升力特性常用CL～α曲线表示。图中升力系数曲线最高点对应的迎角为临界迎角，临界迎角对应的升力系数值为最大升力系数。翼型的升力特性（1）升力线斜率按照薄翼型理论，对于厚翼型，高雷诺数下可用下面的经验公式：

（2）零升力迎角α0对于有弯度的翼型，升力系数曲线不通过原点，升力系数为0的迎角称为零升力迎角，用α0表示，一般弯度越大，α0越大。对称翼型弯度为0，其升力系数曲线要通过原点α0＝0。（3）最大升力系数CLmax翼型的CLmax与表面上边界层分离密切相关，因此它取决于翼型几何参数、雷诺数以及表面粗糙度。分离特性——后缘分离

前驻点在下表面距前缘点很近处，从而前缘外形成较大的正压力。在后缘处，上下表面两股气流平滑汇合沿中弧线切线方向向下后方流去，并逐渐转折回来流方向翼型压力中心与焦点

翼型上有两个重要的气动特性点：一个是压力中心（Pressurecenter，cp），简称压心；另一个是焦点，也称空气动力中心（aerodynamiccenter）或气动中心，是升力增量的作用点。压力中心位置随迎角的变化分离特性——长泡分离与短泡分离

前驻点在下表面距前缘点很近处，从而前缘外形成较大的正压力。在后缘处，上下表面两股气流平滑汇合沿中弧线切线方向向下后方流去，并逐渐转折回来流方向力矩特性

翼型的力矩特性常用力矩系数mz～CL曲线表示，见图3-14。在中小迎角范围内，mz～CL曲线呈一条直线，即阻力特性

作用在翼型上的空气动力在V∞方向上的分量称为翼型阻力，简称型阻CDpr。从物理实质上可以将黏性阻力分为摩擦阻力CDf和压差阻力CDp（与边界层分离有关）：

当迎角不大时，摩擦阻力是型阻的主要成分。通常在设计升力系数CLd下（此时迎角不大）对应，阻力系数最小，称为最小阻力系数CDmin，它可由相当平板的摩擦阻力系数通过适当修正得到

式中，CF为与翼型Re与转捩点位置相同条件下平板的单面摩擦阻力系数，ηc为厚度修正系数，与翼型厚度特性有关，它反映了黏性压差阻力的贡献，其值可由相应的曲线查得。阻力特性与极曲线

翼型阻力随迎角变化曲线阻力特性与极曲线

翼型极曲线雷诺数对翼型气动性能的影响

Re对无人机的阻力特性影响很大。低速无人机飞行中遇到的阻力主要是摩擦阻力和压差阻力，空气黏性与这两种阻力关系密切。Re越大，翼型阻力越小。Re对翼型升力线斜率影响很小，主要影响最大升力系数CLmax。一般CLmax随Re的增大而增大。3.3

翼型的选择翼型外形与参数的选择翼型选择的其他考虑因素翼型外形与参数的选择从外形看，弯度从大到小排序为：凹凸型＞平凸型＞双凸型＞对称型。适当前移最大弯度位置也可以提高翼型的最大升力系数，失速形式为前缘失速。

薄翼型阻力小，但不适合大迎角飞行，且失速特性不佳，适合高速飞机。厚翼型阻力大，升力特性较好，不易失速低速时适当增加翼型最大厚度还可以提高翼型的升力线斜率。增大对称翼型的最大升力系数的方法主要是通过增加前缘半径、加厚翼型头部来实现。翼型头部确定大迎角下气流分离流动，从而决定最大升力值及其他重要的几何参数。1.翼型弯度的选择2.翼型厚度的选择3.其他参数的选择翼型选择的其他考虑因素平面形状由于平直机翼和后掠机翼的根部流动特性不一样，因此，对平直机翼适用的翼型对后掠机翼不一定适用，反之亦然。大展弦比机翼，为了防止翼尖失速造成飞机安全问题，翼尖处翼型的最大升力系数一般要比翼根处翼型的大。空间和刚度除了气动方面的考虑，还要考虑减轻结构重量。对于小飞机来说，翼型相对厚度较大带来结构高度增加的同时，对加工制造也会带来很大的便利。本章思考题11.什么是翼型？有哪些主要类型，几何参数有哪些？2.举例说明NACA四位数和五位数翼型有关数字的含义。3.什么是迎角，如何判断其正负？4.什么是超临界翼型，其主要优点和缺点是什么？5.升力是如何产生的，如何计算？6.画出升力系数随迎角变化曲线，标出零升迎角、临界迎角，并说明升力系数随迎角变化的规律与原因。7.压力中心与焦点有什么联系与区别？本章思考题2