《空气动力学基础》PPT课件.ppt

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1、第二章 低速空气动力学基础 第二章第页 2 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 2 1空气流动的描述 第二章第页 4 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 5 2 1 1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 6 2 1 2相对气流 运动方向 相对气流方向 自然风方向 第二章第页 7 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

2、二章第页 8 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 9 风洞实验段及实验模型 第二章第页 10 风洞的其它功用 第二章第页 11 2 1 3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 12 相对气流方向就是飞机速度的反方向 第二章第页 13 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 14 水平飞行 上升 下降时的迎角 上升 平飞 下降 第二章第页 15 迎角探测装置 第二章第页 16 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

3、 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 17 流管 由许多流线所围成的管状曲面 第二章第页 18 流线和流线谱 流线谱是所有流线的集合 第二章第页 19 流线和流线谱的实例 第二章第页 20 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 21 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

4、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 22 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 23 连续性定理 1 2 A1 v1 A2 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 24 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 25

5、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 26 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 27 伯努利定理 第二章第页 28 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 29 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

6、 静压和总压 第二章第页 30 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 31 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 文邱利管测流量 第二章第页 32 空速管测飞行速度的原理 第二章第页 33 与动压 静压相关的仪表 第二章第页 34 空速表 第二章第页 35 升降速度表 第二章第页 36 高度表 第二章第页 37 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

7、的增升原理 2 2升力 第二章第页 39 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 40 2 2 1升力的产生原理 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 41 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 42 升力的产生原理 第二章第页 43 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 CenterofPre

8、ssure 升力的产生原理 第二章第页 44 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 45 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 46 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 47 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

9、第页 48 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 49 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 2 3阻力 第二章第页 51 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 第二章第页 52 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 P

10、arasiteDrag 升力 粘性 第二章第页 53 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 附面层的形成 第二章第页 54 附面层厚度较薄 第二章第页 55 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 56 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 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 57 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 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 59 附面层的特点三

11、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 第二章第页 60 层流的不稳定性 第二章第页 61 层流附面层和紊流附面层的速度型 第二章第页 62 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 63 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 64 影

12、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 65 摩擦阻力在飞机总阻力构成中占的比例较大 第二章第页 66 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 67 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 A B C 第二章第页 68 附面层分离 在逆压梯度作用下 附面层底层出现倒流 与

13、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 69 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 70 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 P1 P2 P3 P4 P分离点 P1 P2 P3 P4 第二章第页 71 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 A B C 第二章第页 72 分离点与最小压力点的位置 A B C 最小压力点 分离点 第二章第页 73 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

14、和分离的物理含义完全不同 第二章第页 74 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 75 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 A B C C 第二章第页 76 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 77 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

15、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 78 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 79 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 80 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 81 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

16、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 82 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 83 翼尖涡形成的进一步分析 注意旋转方向 第二章第页 84 翼尖涡的立体形态 第二章第页 85 翼尖涡的形态 第二章第页 86 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 87 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 第二章第页 88 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 89 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