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作用在飞机上的空气动力

作用在飞机上的空气动力. 升力 — 更大的重量 阻力 — 更小发动机功率. 问题：如何增大升力、减小阻力. 迎角. Angle of Attack (AoA). 相对气流方向 与 翼弦 之间的夹角. 不同于飞机的姿态. 升力. 气流→翼型→上表面流线变密→流管变细 下表面平坦→流线变化不大 ( 与远前方流线相比 ) 连续性定理、伯努利定理→翼型的上表面→流管变细→流管截面积减小→气流速度增大→故压强减小 翼型的下表面→流管变化不大→压强基本不变 上下表面产生了压强差→总空气动力 R

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作用在飞机上的空气动力

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Presentation Transcript

  1. 作用在飞机上的空气动力 • 升力 — 更大的重量 • 阻力 — 更小发动机功率 问题：如何增大升力、减小阻力

  2. 迎角 Angle of Attack (AoA) 相对气流方向与翼弦之间的夹角 不同于飞机的姿态

  3. 升力 气流→翼型→上表面流线变密→流管变细 下表面平坦→流线变化不大(与远前方流线相比) 连续性定理、伯努利定理→翼型的上表面→流管变细→流管截面积减小→气流速度增大→故压强减小 翼型的下表面→流管变化不大→压强基本不变 上下表面产生了压强差→总空气动力R R的方向向后向上→分力：升力L、阻力D

  4. 不同迎角对应的压力分布

  5. 失速 • 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、图2)。但是，当迎角增大到某一值时，则会出现相反的情况，即迎角增加升力反而急剧下降。这个迎角就称为临界迎角。 • 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，升力大幅下降，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。

  6. 视频演示 风洞 流线 失速

  7. 空气动力系数 • 无因次量 • 升力系数 Cy ( CL ) • 阻力系数 Cx ( CD )

  8. 升力特性曲线

  9. Cy-α曲线的特点 • 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Cy max，而在接近最大值Cy max前曲线上升的趋势就已减缓。

  10. 弯度和迎角的作用

  11. 改变后缘弯度的作用

  12. 增升装置 襟翼（前、后缘）

  13. 简单襟翼

  14. 富勒襟翼

  15. Boeing 727 三缝襟翼 Boeing 727 Triple-Slotted Fowler Flap System

  16. F-14全翼展的前缘缝翼与后缘襟翼

  17. 前缘缝翼

  18. 缝翼和襟翼对升力系数的影响

  19. 力矩特性及焦点 规定：使翼型抬头的力矩为正 升力的力矩 MzP = -Y1 ( x压 - xP ) 用力矩系数的形式表示为 零升力矩系数 mz0 焦点 — mzP不随Cy而变化的点 — 升力增量作用点

  20. 阻力 • 摩擦阻力 • 压差阻力 • 干扰阻力 • 诱导阻力 • 激波阻力

  21. 阻力1：摩擦阻力 • 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

  22. 阻力2：压差阻力 • 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

  23. 迎面阻力 • 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 • 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

  24. 机翼的三元效应 上翼面压强低，下翼面压强高 -> 压差 -> 漩涡 -> 下洗

  25. 阻力3：诱导阻力 伴随升力而产生的 • 翼尖涡使流过机翼的气流向下偏转一个角度（下洗）。升力与气流方向垂直（向后倾斜），产生了向后的分力（阻力） • 诱导阻力同机翼的平面形状，翼剖面形状，展弦比，特别是同升力有关。

  26. 阻力4：干扰阻力 • 气流流过翼-身连接处，由于部件形状的关系，形成了一个气流的通道。B处高压区形成气流阻塞，使气流开始分离，产生旋涡，能量消耗 • 和飞机不同部件之间的相对位置有关

  27. 阻力5：激波阻力 属于压差阻力

  28. 激波 飞机飞行 -> 对空气产生扰动 扰动(以扰动波的形式)以音速传播,积聚 激波形成原理 激波照片(M=3)

  29. 飞行速度小于音速时 扰动波的传播速度大于飞机前进速度 传播向四面八方 飞行速度等于或超过音速时 扰动波的传播速度等于或小于飞机前进速度 后续时间的扰动就会同已有的扰动波叠加在 一起形成较强的波， 空气受到强烈的压缩、而形成了激波

  30. 激波前后气流物理参数的变化 波阻 能量的观点 空气通过激波时，受到薄薄一层稠密空气的阻滞，使得气流速度急骤降低，由阻滞产生的热量来不及散布，于是加热了空气。加热所需的能量由消耗的动能而来。在这里，能量发生了转化--由动能变为热能。动能的消耗表示产生了一种特别的阻力。这一阻力由于随激波的形成而来，所以就叫做"波阻"

  31. 机翼上压强分布的观点 亚音速，最大稀薄度靠前，压强分布沿着与飞行相反的方向上的合力，不是很大，即阻力不是很大。 超音速情况下，最大稀薄度向后远远地移动到尾部，而且向后倾斜得很厉害，同时它的绝对值也有增加。因此，如果再考虑机翼头部压强的升高，那么压强分布沿与飞行相反方向的合力，急剧增大，使得整个机翼的总阻力相应有很大的增加。这附加部分的阻力就是波阻。

  32. John Gay拍摄 1999年7月7日 • F/A 18-C Hornet 在航母附近低高度（75英尺）超音速飞行的场面

  33. 正激波和斜激波 正激波的波阻大，空气被压缩很厉害，激波后的空气压强、温度和密度急剧上升，气流通过时，空气微团受到的阻滞强烈，速度大大降低，动能消耗很大，这表明产生的波阻很大。 斜激波波阻较小，倾斜的越厉害，波阻就越小。 Ma=1正激波 Ma>1钝头：正激波 尖头：斜激波

  34. 临界马赫数 上翼面流管收缩局部流速加快，大于远前方来流速度 局部流速的加快局部温度降低局部音速下降 当翼型上最大速度点的速度增加到等于当地音速时，远前方来流速度v∞就叫做此翼型的临界速度（对应临界马赫数）

  35. 局部激波 当M∞>Mcr以后，在翼型上表面等音速点后面，由于翼型表面的连续外凸，流管扩张，空气膨胀加速，出现局部超音速区。 通常机翼上表面会首先达到当地音速，局部激波首先出现在上翼面。随着速度的增加，下翼面也会出现局部激波，而且当速度进一步增加时，机翼上下表面的局部激波还会向后移动，并且下翼面的局部激波的移动速度比上翼面的大，可能一直移到机翼后缘，同时激波的强度也将增大，激波阻力将增大。

  36. 阻力 飞机所受的阻力可以分为 • 摩擦阻力 • 压差阻力 • 诱导阻力 • 干扰阻力 • 激波阻力 或 零升阻力和 升致阻力两大类

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