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1、飞机原理与构造飞机原理与构造第四讲第四讲 第三章第三章 高速高速空气动力学基础空气动力学基础 2012 9 2 1 2012 9 2 2 一 高速气流的特性一 高速气流的特性 二二 激波与膨胀波 激波与膨胀波 三三 高速气流中作用于翼型上的空气动力 高速气流中作用于翼型上的空气动力 四四 后掠机翼 后掠机翼 第三章第三章 高速空气动力学基础高速空气动力学基础 2012 9 2 3 高速气流的特性高速气流的特性 当飞机由低速飞行进入高速飞当飞机由低速飞行进入高速飞 行 就会遇到某些行 就会遇到某些激波激波 局部激波局部激波 等与低速飞行截然不同的现象 这等与低速飞行截然不同的现象 这 主要是高速
2、飞行时 主要是高速飞行时 空气密度空气密度随飞随飞 行速度的变化而变化 使飞机空气行速度的变化而变化 使飞机空气 动力发生了新的变化 这种变化 动力发生了新的变化 这种变化 又是由于高速飞行中气流特性发生又是由于高速飞行中气流特性发生 了显著变化所致 了显著变化所致 2012 9 2 4 高速气流的特性高速气流的特性 空气的压缩性与飞行速度的关系空气的压缩性与飞行速度的关系 高速气流之所以与低速气流有如此的差别 其根本高速气流之所以与低速气流有如此的差别 其根本 原因是空气具有压缩性的缘故 空气由于压力 温度等原因是空气具有压缩性的缘故 空气由于压力 温度等 条件改变而引起密度的变化叫做空气的
3、条件改变而引起密度的变化叫做空气的压缩性压缩性 由于空 由于空 气的压缩性会引起一系列的问题 弱扰动的传播 高速气的压缩性会引起一系列的问题 弱扰动的传播 高速 气流中压力和流速随流管截面积的变化 激波等 气流中压力和流速随流管截面积的变化 激波等 2012 9 2 5 高速气流的特性高速气流的特性 在大速度情况下 气流速度变化引起空气密度的变在大速度情况下 气流速度变化引起空气密度的变 化显著增大 就会引起空气动力发生额外的变化 甚至化显著增大 就会引起空气动力发生额外的变化 甚至 引起空气动力规律的改变 这就是高速气体特性所以区引起空气动力规律的改变 这就是高速气体特性所以区 别于低速气流
4、根本点 别于低速气流根本点 飞行速度飞行速度20040060080010001200 空气密度增加的百分比1 3 5 3 12 2 22 3 45 8 56 6 空气密度随飞行速度变化的关系空气密度随飞行速度变化的关系 空气的压缩性与飞行速度的关系空气的压缩性与飞行速度的关系 2012 9 2 6 高速气流的特性高速气流的特性 空气本身温度越高 越不易被压缩 空气本身温度越高 越不易被压缩 这种现象是空气分子热运动影响的结果 温度越高 这种现象是空气分子热运动影响的结果 温度越高 空气分子的整运动速度越大 在外界压力改变量相同的空气分子的整运动速度越大 在外界压力改变量相同的 条件下 体积变化
5、小 密度变化也较小 空气压缩性较条件下 体积变化小 密度变化也较小 空气压缩性较 少 气体温度越高 它抵抗外界压缩的能力越强 越难少 气体温度越高 它抵抗外界压缩的能力越强 越难 压缩 压缩 空气密度是否容易变化 与温度有很大的关系 空气密度是否容易变化 与温度有很大的关系 空气的压缩性与温度的关系空气的压缩性与温度的关系 2012 9 2 7 高速气流的特性高速气流的特性 音波 音速 马赫数音波 音速 马赫数 鼓音 音波 的传播鼓音 音波 的传播 音速 音速 扰动在空气中的传播速度就是音速 扰动在空气中的传播速度就是音速 2012 9 2 8 高速气流的特性高速气流的特性 音波音波 弱扰动波
6、弱扰动波 音波 音速 马赫数音波 音速 马赫数 由于空气具有可压缩的物理特性 当空气受扰动时会由于空气具有可压缩的物理特性 当空气受扰动时会 使空气的压力和密度发生了变化 就产生压力一升一降 使空气的压力和密度发生了变化 就产生压力一升一降 密度一疏一密的扰动波 一个接着一个地向外传播 这种密度一疏一密的扰动波 一个接着一个地向外传播 这种 扰动波是空气被压缩和膨胀交替变化的结果 因此 我们扰动波是空气被压缩和膨胀交替变化的结果 因此 我们 把这种空气不断反复发生扰动的弱扰动波称为音波 把这种空气不断反复发生扰动的弱扰动波称为音波 2012 9 2 9 高速气流的特性高速气流的特性 音速 音速
7、 a a 弱扰动在静止空气中传播的速度叫做音速弱扰动在静止空气中传播的速度叫做音速 音波 音速 马赫数音波 音速 马赫数 音速约等于每小时音速约等于每小时1227公里或每秒公里或每秒341米 音速大小用字母米 音速大小用字母a 来表示 来表示 1 音速的快慢 取决于传播的介质 音速的快慢 取决于传播的介质 介质越难压缩 音速就越大 介质越难压缩 音速就越大 2 音速的快慢 取决于空气温度变化 音速的快慢 取决于空气温度变化 空气的压缩性取决于空气温度 所以音速在空气中的快慢空气的压缩性取决于空气温度 所以音速在空气中的快慢 最终取决于空气温度 气温低时 空气容易压缩 不能快速挤压最终取决于空气
8、温度 气温低时 空气容易压缩 不能快速挤压 周围空气 音速慢 周围空气 音速慢 3 音速的快慢 取决于高度的变化 音速的快慢 取决于高度的变化 音速一般在音速一般在10 11公里以下 高度升高 音速下降 公里以下 高度升高 音速下降 2012 9 2 10 高速气流的特性高速气流的特性 马赫数马赫数 M M数数 音波 音速 马赫数音波 音速 马赫数 全面衡量空气压缩量的大小 要同时考虑飞行全面衡量空气压缩量的大小 要同时考虑飞行 速度和音速两个因素 一般用气流速度和音速的比速度和音速两个因素 一般用气流速度和音速的比 值来综合表达对空气压缩性的影响 这个比值称为值来综合表达对空气压缩性的影响
9、这个比值称为 马赫数马赫数 称称M数数 M V a 2012 9 2 11 高速气流的特性高速气流的特性 恩斯特恩斯特 马赫马赫 Ernst MachErnst Mach 18381838 19161916 奥地利奥地利杰出的杰出的物理学家物理学家 心理学家心理学家和数学家和数学家 同时 同时又是又是 一位伟大的哲学家 他促成了一位伟大的哲学家 他促成了实证主义向实证主义向逻辑经验主义的过逻辑经验主义的过 渡 形成了哲学史上著名渡 形成了哲学史上著名的的马赫主义马赫主义哲学哲学 18551855年马赫进维也纳大学学习物理和数学 于年马赫进维也纳大学学习物理和数学 于18601860年获年获 得
10、博士学位 以后他进行一系列物理学方面的实验研究 如得博士学位 以后他进行一系列物理学方面的实验研究 如 有关冲击波的研究 在心理学上他也取得了一些重大进展 有关冲击波的研究 在心理学上他也取得了一些重大进展 如如 马赫带马赫带 的发现等 的发现等 2012 9 2 12 高速气流的特性高速气流的特性 他研究物体在气体中高速运动时 发现了他研究物体在气体中高速运动时 发现了激波激波 确定 确定 了以物速与声速的比值 即马赫数 为标准 来描述物体了以物速与声速的比值 即马赫数 为标准 来描述物体 的超声速运动 的超声速运动 马赫效应马赫效应 马赫波马赫波 马赫角等这些以马赫 马赫角等这些以马赫 命
11、名的术语 在命名的术语 在空气动力学空气动力学中广泛使用 这是马赫在力学中广泛使用 这是马赫在力学 上的历史性贡献 上的历史性贡献 2020世纪物理学的两大杰出理论体系相对论和量子力学世纪物理学的两大杰出理论体系相对论和量子力学 的建立 都是受马赫的启发和影响而完成的 的建立 都是受马赫的启发和影响而完成的 2012 9 2 13 高速气流的特性高速气流的特性 空气压缩性与音速空气压缩性与音速a a的关系的关系 d dp a 27339 ta 海里海里 小时小时 2731 20 ta 公里公里 小时小时 音速与传输介质的可压缩性相关 在空音速与传输介质的可压缩性相关 在空 气中 音速大小唯一取
12、决于空气的温度 温气中 音速大小唯一取决于空气的温度 温 度越低 空气越易压缩 音速越小 度越低 空气越易压缩 音速越小 2012 9 2 14 高速气流的特性高速气流的特性 亚音速 等音速和超音速的扰动传播亚音速 等音速和超音速的扰动传播 2012 9 2 15 高速气流的特性高速气流的特性 空气压缩性与马赫数空气压缩性与马赫数M M的关系的关系 a TAS M M M数越大 空气被压缩得越厉害 数越大 空气被压缩得越厉害 马赫数马赫数M M是真速与音速之比 分为飞行马赫数和局部马赫数 是真速与音速之比 分为飞行马赫数和局部马赫数 前者是飞行真速与飞行高度音速之比 后者是局部真速与局部前者是
13、飞行真速与飞行高度音速之比 后者是局部真速与局部 音速之比 如翼型上表面某点的局部马赫数 音速之比 如翼型上表面某点的局部马赫数 低速飞行低速飞行 马赫数马赫数M M 0 4 0 4 0 4 必须考虑空气压缩性的影响必须考虑空气压缩性的影响 2012 9 2 16 高速气流的特性高速气流的特性 气流速度与流管截面积的关系气流速度与流管截面积的关系 由连续性定理 在同一流管内由连续性定理 在同一流管内 constVA 速度增加 空气密度减小 速度增加 空气密度减小 在亚音速时 在亚音速时 密度的减小量小于速度的增加量密度的减小量小于速度的增加量 故加速时要求截面积减小 流量一定 流速快则截面故加
14、速时要求截面积减小 流量一定 流速快则截面 积减小 流速慢则截面积增大 积减小 流速慢则截面积增大 在亚音速气流在亚音速气流 中中 流管截面积随流管截面积随 流速的变化流速的变化 2012 9 2 17 高速气流的特性高速气流的特性 因此 因此 M 1M 1时 流管扩张 流速增加 流管收缩 流速减小 时 流管扩张 流速增加 流管收缩 流速减小 在超音速时 在超音速时 密度的减小量大于速度的增加量密度的减小量大于速度的增加量 故加速时要求截面积增大 故加速时要求截面积增大 由连续性定理 在同一流管内由连续性定理 在同一流管内 constVA 速度增加 空气密度减小 速度增加 空气密度减小 气流速
15、度与流管截面积的关系气流速度与流管截面积的关系 在超音速气在超音速气 流中流中 流管截面积流管截面积 随流速的变化随流速的变化 2012 9 2 18 高速气流的特性高速气流的特性 气流气流M M数数0 20 40 60 81 01 21 41 6 流速增加的百分流速增加的百分 比比1 1 1 1 1 1 1 1 密度变化的百分密度变化的百分 比比 0 04 0 16 0 36 0 64 1 1 44 1 96 2 56 截面积变化的百截面积变化的百 分比分比 0 96 0 84 0 64 0 36 00 44 0 96 1 65 速度 密度和截面积在不同速度 密度和截面积在不同M M数下的变
16、化值数下的变化值 2012 9 2 19 高速气流的特性高速气流的特性 低速气流的气流特性是 流速要加快 流管势必变细 低速气流的气流特性是 流速要加快 流管势必变细 超音速气流的气流特性是 流速要加快 流管必须变粗 超音速气流的气流特性是 流速要加快 流管必须变粗 超音速气流的加速性超音速气流的加速性 流管形状流管形状低速气流 不可压缩 低速气流 不可压缩 亚音速气流 亚音速气流 Ma1 收缩的流管收缩的流管 压力减小压力减小 流速增大流速增大 密度不变密度不变 温度不变温度不变 压力减小压力减小 流速增大流速增大密度减密度减 小小温度降低温度降低 压力增大压力增大 流速减小流速减小 密度增大密度增大 温度升高温度升高 扩张的流管扩张的流管 压力增大压力增大 流速减小流速减小密度不变密度不变 温度不变温度不变 压力增大压力增大 流速减小流速减小密度增密度增 大温度升高大温度升高 压力减小压力减小 流速增大流速增大 密度减小密度减小 温度降低温度降低 2012 9 2 20 高速气流的特性高速气流的特性 超音速气流的获得超音速气流的获得 要想获得超音速气流 截面积应该先减后增 要想获得
