空气动力学基础-幻灯片(ppt演示)

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1、第二章,低速空气动力学基础,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,第二章 第 页,2,2.1 空气流动的描述,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,4,2.1.1 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，Ma0.4。 绝热流体，不考虑流体温度的变化，Ma0.4。,第二章 第 页,5,2.1.2 相对气流,运动方向,相对气流方向,自然风方向,第二章 第 页,6,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

2、产生的空气动力就相同。,第二章 第 页,7,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,8,风洞实验段及实验模型,第二章 第 页,9,风洞的其它功用,第二章 第 页,10,2.1.3 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,11,相对气流方向就是飞机速度的反方向,第二章 第 页,12,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,13,水平飞行、上升、下降时的迎角,上升,平飞,下降,第二章 第 页,14,迎角探测装置,第二章 第 页,15,2.1.4 流线和流线谱,空

3、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，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,16,流管：由许多流线所围成的管状曲面。,第二章 第 页,17,流线和流线谱,流线谱是所有流线的集合。,第二章 第 页,18,流线和流线谱的实例,第二章 第 页,19,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,20,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

4、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,21,2.1.5 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,22,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,23,山谷里的风通常

5、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,24,2.1.6 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,25,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,26,伯努利定理,第二章 第 页,27,深入理解动压、静压和

6、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,28,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、静压和总压,第二章 第 页,29,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,30,2.1.7 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,31,空速管测飞行速度的原理,第二章 第 页,32,与动压、

7、静压相关的仪表,第二章 第 页,33,空速表,第二章 第 页,34,升降速度表,第二章 第 页,35,高度表,第二章 第 页,36,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 增升装置的增升原理,第二章 第 页,37,2.2 升力,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,39,2.2.1 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,40,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。,

8、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,41,升力的产生原理,第二章 第 页,42,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(Center of Pressure),升力的产生原理,第二章 第 页,43,2.2.2 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,44,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

9、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,45,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,46,2.2.3 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 第 页,47,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,48,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,第二章 第 页,49,

10、2.3 阻力,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,51,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(Skin Friction Drag) 压差阻力(Form Drag) 干扰阻力(Interference Drag) 诱导阻力(Induced Drag),废阻力 (Parasite Drag),升力,粘性,第二章 第 页,52,2.3.1 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,53,附面层厚度较薄,第

11、二章 第 页,54,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,55,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,56,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,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,附面层的特点三,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,59,层流的不稳定性,第二章 第 页,60,层流附面层和紊流附面层的

12、速度型,第二章 第 页,61,2.3.2 阻力的产生,摩擦阻力(Skin Friction Drag) 压差阻力(Form Drag) 干扰阻力(Interference Drag) 诱导阻力(Induced Drag),废阻力 (Parasite Drag),升力,粘性,第二章 第 页,62,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,63,影响摩擦阻力的因素,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。,

13、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,64,摩擦阻力在飞机总阻力构成中占的比例较大,第二章 第 页,65,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,66,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,67,附面层分离,在逆压梯度作用下，附面层底层出现倒流，与上层顺流 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,68,分离区的特点一

14、,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,69,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,70,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,71,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,72,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。 转捩和分离的物理含义完全不同。,第二章 第

15、页,73,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,74,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,75,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,76,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,77,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,78,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,79,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,80,正常飞行时，下翼面的压强比上翼面高，在上下