cjp-第二章空气动力学基础

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1、飞机原理与构造,第二章 空气动力学基础 航空机电教研室 陈金瓶,大气的重要物理参数 大气层的构造 国际标准大气 流体流动的基本概念 流体流动的基本规律 机翼几何外形和参数 作用在飞机上的空气动力,内容简介,大气的重要物理参数,1.大气密度 2.大气温度 3.大气压力 4.粘性 5.可压缩性 6.雷诺数和马赫数,1.大气密度 是指单位体积内的空气质量，用表示 ，单位：kg/m3，则有： 空气的密度大，单位体积内的空气分子多，比较稠密；反之，比较稀薄。 由于地心引力的作用， 随高度H的增加而减小，近似按指数曲线变化。,2.大气温度T 是指大气层内空气的冷热程度。微观上来讲，温度体现了空气分子运动剧

2、烈程度。所以说温度是大量分子热运动的集体表现，含有统计意义。对于个别分子来说，温度是没有意义的。 摄氏温标（） 绝对温标（ K） 华氏温标（）,这三种温度单位的换算关系可表示为：,3.大气压力p 是指作用在单位面积且方向垂直于此面积（沿内法线方向）的力。就空气来讲，空气的压力是众多空气分子在物体表面不断撞击产生的结果。在飞机上产生的空气动力中，特别是升力，大都来自于飞机外表面上的空气压力。 单位：毫米汞柱（mmHg）、帕（Pa（N/m2）、每平方英寸磅（Psi）等，其中，帕（Pa（N/m2）为国际计量单位。 规定在海平面温度为15时的大气压力即为一个标准大气压，表示为760mmHg或1.013

3、 105Pa。大气压力随高度的变化如图,完全气体 是气体分子运动论中采用的一种模型气体。它的分子体积和气体所占空间相比较可以忽略不计、分子间的相互作用力也忽略不计。 在室温和通常压力范围内的气体基本符合这些假设，所以空气可以看作为一种完全气体。 对于完全气体，有,4.粘性 当流体内两相邻流层的流速不同时，两个流层接触面上便产生相互粘滞和相互牵扯的力，这种特性就叫粘性。,实验表明：流体的粘性力F与相邻流层的速度差v=v1-v2 、接触面的面积 S 成正比，和相邻流层的距离y成反比。,F 流体的粘性力 流体的动力粘性系数 v/ y 横向速度梯度。 S 接触面的面积 单位接触面积上的粘性力,流体动力

4、粘性系数 在数值上等于横向速度梯度为1时，作用在单位面积上的粘性力。所以 可以作为量度流体粘性大小的尺度，单位是Pa S。,常温下 空气 =1.8110-5 Pa S 水 =1.002 10-3 Pa S 甘油 =1.4939 Pa S 粘性系数：液体气体,随着温度的升高 气体 流层间内摩擦力增大 液体 分子间内聚力减小,用管道来运输液体（如石油）时，对液体加温（特别是寒冷地区的冬季），有减小流动损失、节能省耗的效果,5.可压缩性E 是指一定量的空气在压力变化时，其体积发生变化的特性。可压缩性用体积弹性模量 E 来衡量 ，其定义为产生单位相对体积变化所需的压力增量。E 值越大，流体越难被压缩。

5、 在通常压力下，空气的E值相当小，约为水的1/20000。因此，空气具有压缩性，而水则视为不可压缩流体。 一般情况下飞机低速飞行（Ma0.3）时，视为不可压缩流体；高速飞行（Ma0.3）时，则必须考虑空气的可压缩性。,6.音速c 是指声波在介质中传播的速度，单位为m/S。 实验表明，在水中声速约为1440m/S，而在海平面标准状态下，在空气中的声速只有341m/S。而我们又知道水难被压缩，空气易被压缩，由此可以推论： 流体的可压缩性 小，声速 大。 显然，在不可压缩流体、固体中，声速 。 大气中，声速的计算公式为 式中，T是空气的热力学温度，单位为K!。,7.马赫数和雷诺数 马赫数的定义是 式

6、中，v是飞行速度，c是当地声速（即飞行高度上大气中的声速）。Ma是个无量纲量，它的大小可以作为空气受到压缩程度的指标。 Ma0.8 亚音速； 0.8 Ma 1.3 跨音速 1.3 Ma 5.0 超音速 Ma5.0 高超音速,雷诺数的定义是 、飞行高度上大气的密度和动力粘性系数 l是飞机的特征尺寸 v是飞行速度 Re表征了流体运动中惯性力与粘性作用的关系。可以发现，Re越小，说明空气粘性的作用越大，对流场的影响是主要的；反之Re越大，惯性力的作用越大。,大气的重要物理参数 大气层的构造 国际标准大气 流体流动的基本概念 流体流动的基本规律 机翼几何外形和参数 作用在飞机上的空气动力,内容简介,大

7、气层的构造,1.大气层的构造 一、对流层 二、平流层 三、中间层 四、电离层 五、散逸层,五、散逸层：是大气的最外层，从电离层顶部到大气层的最外边缘。由于地心引力很小，大气分子不断向星际空间散逸。,二、平流层（同温层） 高度范围：11 50 km 。 11 20km ，温度不随高度而变化，常年平均值为-56.5 20 50km温度随高度的增加上升 空气稀薄，水蒸气极少 没有云、雨、雪、雹等现象 没有垂直方向的风，只有水平方向的风，而且风向稳定 大气能见度好、空气阻力小，对飞行有利，现代喷气式客机多在11 12 km 的平流层底层飞行。,一、对流层 大气中最低的一层，在地球中纬度地区，高度范围0

8、 11 km 。 包含全部大气3/4的质量 天气变化最复杂的一层，有云、雨、雪、雹等现象。 空气的水平流动和垂直流动，形成水平方向和垂直方向的阵风 其压强、密度、温度和音速均随高度的增加而降低。,三、中间层 高度范围：50 80 km 空气十分稀薄，温度随高度的增加而下降 空气在垂直方向有强烈的运动。,四、电离层 高度范围80 800 km 空气处于高度的电离状态，氮、氧分子电离成为离子和自由电子，带有很强的导电性，能吸收、反射和折射无线电波。所以这一层对无线电通信很重要 由于空气电离放出的热量，温度很高并随着高度的增加而上升。 也被称为暖层或热层 空气密度极小，声波已无法传播,大气的重要物理

9、参数 大气层的构造 国际标准大气 流体流动的基本概念 流体流动的基本规律 机翼几何外形和参数 作用在飞机上的空气动力,内容简介,国际标准大气,国际标准大气具有以下的规定： 1.大气是静止的、洁净的，且相对湿度为零。 2.空气被视为完全气体，即其物理参数 （密度、温度和压力）的关系服从完全气体的状态方程 p =RT 3.海平面作为计算高度的起点，即 H =0处 。,大气的重要物理参数 大气层的构造 国际标准大气 流体流动的基本概念 流体流动的基本规律 机翼几何外形和参数 作用在飞机上的空气动力,内容简介,流体流动的基本概念,相对运动原理 连续性假设 流场、定常流和非定常流 流线、流线谱、流管和流

10、量,1.相对运动原理 空气相对飞机的运动称为相对气流，相对气流的方向与飞机运动的方向相反。只要相对气流速度相同，产生的空气动力也就相等。将飞机的飞行转换为空气的流动，使空气动力问题的研究得到简化。,飞机的运动方向与相对气流的方向,2.连续介质假设 连续性假设是指把流体看成连绵一片的、没有间隙的、充满了它所占据的空间的连续介质。 空气分子是 2.7 1019 个/cm3 空气分子的平均自由程约为6 10-6cm 空气分子的平均直径约为3.7 10-8cm 两者之比约为170:1 因此从微观上来说，空气是一种有间隙的不连续介质。,飞机的特征尺寸一般以 m 计，至少以 cm 计，比流体分子的平均自由

11、程大得多 因此，一般不研究流体分子的个别运动，而是研究流体的宏观运动，即将空气看成连续介质。 在某些情况下，例如在120km的高空，空气分子的平均自由行程和飞行器的特征尺寸在同一数量级，连续介质假设就不再成立。,四、电离层 高度范围80 800 km 空气处于高度的电离状态，对无线电通信很重要 温度很高并随着高度的增加而上升。也被称为暖层或热层 空气密度极小，声波已无法传播,3.流场、定常流和非定常流 流体流动所占据的空间称为流场，用来描述表示流体运动特征的物理量，如速度、密度、压力等等。 在流场中的每一点处，如果流体微团的物理量随时间变化，这种流动就称为非定常流动，这种流场被称为非定常流场；

12、反之，则称为定常流动和定常流场。,4.流线、流线谱、流管 流线是在流场中用来描绘流体微团流动状态的曲线。在流线每一点上，曲线的切线方向正是流体微团流过该点时流动速度的方向。 在流场中，用流线组成的描绘流体微团流动情况的图画称为流线谱。,v,在流场中取一条不是流线的封闭曲线，通过曲线上各点的流线形成的管形曲面称为流管。因为通过曲线上各点流体微团的速度都与通过该点的流线相切，所以只有流管截面上有流体流过，而不会有流体通过管壁流进或流出。,流体流动的基本规律,连续性定理 伯努利定理,1.连续性定理 连续性定理是质量守恒定律在流体流动中的应用。对于低速流体，当流体连续不断而稳定地流过一个粗细不等的管道

13、时，由于管道中任何一部分的流体都不能中断或挤压起来，因此在同一时间内，流进任一切面的流体的质量和从另一切面流出的流体质量是相等的。,流体连续性方程： 1S1v1= 2S2v2 = 3S3v3 =const. 即： S v = const.,对于低速流体，流体不可压缩，即： 1= 2 = 3= 可得：S1v1= S2v2 = S3v3 =const. 即： S v = const.,2.伯努利定理 连续性定理是能量守恒定律在流体流动中的应用。管道中以稳定的速度流动的流体，若流体为不可压缩的理想流体（没有粘性），则沿管道各点的流体的动压与静压之和等于常量。 p+0.5 v2 = P = const

14、 静压 ：就是“压能”，即势能的一种，也就是压力 动压 ：气体具有流动速度，受阻力时，由于动能转变为压力能而引起的超过流体静压力部分的压力,低速流动空气的特性 根据流体连续性定理和伯努利定理，可以得到以下结论：流体在管道中流动时，凡是管道剖面大的地方，流体的流速就小，流体的静压 就大，而管道剖面小的地方，流速就大，静压就小。即： 若 S1 S2 S3 则 v1 v2 v3 p1 p2 p3,实验验证 空气静止时，各处大气压力都一样，等于此处的大气压力，测压管中指示剂液面的高度都相等。 空气以某一速度连续稳定地流过管道，空气压力下降，所有液面均有所升高，但升高的量却不一样 管截面最细处，速度最快

15、，静压最小，动压最大。,机翼的几何外形和参数,机翼翼型的形状和参数 机翼平面的形状和参数 机翼相对机身的安装位置,就是用平行于飞机机身对称平面的平面切割机翼所得的剖面。 圆头尖尾翼型 尖头尖尾翼型,早期飞机：平板和弯板,流线型：提高飞行性能,翼型（翼剖面）的形状,弦线:前缘与后缘之间的连线。 弦长：弦线的长度，又称为几何弦长。用b表示，是翼型的特征尺寸。,翼型的参数（一）,厚度t：上下翼面在垂直于翼弦方向的距离，其中最大者称为最大厚度tm 最大相对厚度t ：t=tm / b 最大相对厚度位置x：x=xm / b,翼型的参数（二）,中弧线（中线）：在弦向任一位置x处，垂直于弦线的直线与上、下表面交点的中点连接起来所构成的线。 弯度fm ：中弧线与翼弦之间的距离 最大相对弯度f ：f = fm / b 最大相对弯度位置x：x=xm / b,翼型的参数（三）,前缘半径rp 后缘角：翼型上下表面周线在后缘处切线的夹角 迎角,翼型的参数（四）,翼型的分类,全对称翼：上下弧线均凸且对称，一般用于尾翼 半对称翼：上下弧线均凸但不对称，常用于低亚音速飞机的机翼 克拉克Y翼：下弧线为一直线，也叫平凸翼 S型翼：中弧线是一个平躺的S型，因攻角改变时，压力中心不变动，常用于无尾翼机 内凹翼：又叫凹凸翼型，下弧线在翼弦上面，升力系数大，常见于早期飞机