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空气动力学简介.doc

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    • 第一章 空气动力学简介第1节 流体流动的基本概念和基本规律1.1 流体流动的基本概念1.1.1 相对运动原理作用在飞机上的空气动力取决于飞机和空气之间的相对运动情况,而与观察、研究时所选用的参考坐标无关也就是说,飞机以速度V在平静的空气中飞行时,作用在飞机上的空气动力与远方空气以速度V流过静止不动的飞机时所产生的空气动力完全相同这就是相对运动原理在空气动力学中的应用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,见图1-1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大大简化风洞实验就是根据这个原理建立起来的 图1-1 飞机的运动方向与相对气流的方向1.1.2 连续性假设连续性假设是在进行空气动力学研究时,将大量的、单个分子组成的大气看成是连续的介质所谓连续介质就是组成介质的物质连成一片,内部没有任何空隙在其中任意取一个微团都可以看成是由无数分子组成,微团表现出来的特性体现了众多分子的共同特性对大气采用连续性假设的理由是与所研究的对象—飞机相比,空气分子的平均自由行程要比飞机的尺寸小得多空气流过飞机表面时,与飞机之间产生的相互作用不是单个分子所为,而是无数分子共同作用的结果。

      1.1.3 流场、定常流和非定常流流体流动所占据的空间称为流场在流场中的任何一点处,如果流体微团流过时的流动参数,速度、压力、温度、密度等随时间变化,这种流动就称为非定常流,这种流场被称为非定常流场反之,如果流体微团流过时的流动参数,速度、压力、温度、密度等不随时间变化,这种流动就称为定常流,这种流场被称为定常流场1.1.4 流线、流线谱、流管和流量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图1-2就是描绘气流流过翼型的流线谱如果流线谱不随时间变化,它所描绘的就是定常流 图1-2 低速气流绕翼型的流动图画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,如图1-3所示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图1-3 流 管若流管横截面积为A,流体密度为r,在横截面上的流速为V,那么单位时间流过截面A的流体体积为AV,称为流体的体积流量单位时间流过截面A的流体质量为rAV,称为流体的质量流量。

      qm=rAV (1.1)式中:qm—质量流量, 单位kg/s1.2 流体流动的基本规律1.2.1 连续方程连续方程是质量守恒定律在流体流动中的应用图1-4表示远方气流以速度V绕流过机翼翼型的定常流线谱,选中一根流管和三个横截面1、2、3由式1.1可知:流体流过三个横截面的质量流量分别等于qm1=r1A1V1 ,qm2=r2A2V2,qm3=r3A3V3流管性质决定了流管内的流体不能穿越管壁流到管外,流管外的流体也不能穿越管壁流到管内,根据质量守恒定律可以得出qm1= qm2= qm3 图1-4 绕翼型的流线谱连续方程可以表述为:在定常流动中,流体连续并稳定的在流管中流动,通过流管各截面的质量流量相等即:r1A1V1=r2A2V2=r3A3V3=… (1.2)式中: r1、r2、r3…——流体流过各截面时的密度; V1、V2、V3…—流体流过各截面时的速度;A1、A2、A3…—流管各截面的面积对于不可压缩流体,比如,低速飞行时(M<0.4),可以把大气看成是不可压缩的流体,即密度r等于常数,连续方程可以简化为:A1V1=A2V2=A3V3=… (1.3)这说明流体的流速与流管的横截面积成反比:流管变细,流线变密,流速变快;流管变粗,流线变疏,流速变慢。

      1.2.2 伯努利方程伯努利方程是能量守恒定律在流体流动中的应用能量守恒定律是说在一个与外界隔绝的系统中,不论发生什么变化和过程,能量可以由一种形式转变为另一种形式,但能量的总和保持恒定对于不可压缩的、理想的流体(没有粘性)来说,在一个与外界没有能量交换的系统中定常流动,流体具有的能量可以在压力能和动能之间进行转换,但能量的总和保持不变压力能是由于流体有压力而具备的做功能力,单位体积流体所具有的压力能用压力P来表示动能是由于流体有速度而具备的做功能力,单位体积流体所具有的动能用来表示这样,伯努利方程数学表达式可写成:P+ =P常数 (1.4)式中: P—静压单位体积流体具有的压力能在静止的空气中,静压等于大气压力单位体积流体具有的动能其中r是空气的密度,V是空气相对飞机的运动速度静压和动压之和1.4式是不可压缩、理想流体作定常流动时的伯努利方程将1.3式的连续方程和伯努利方程一起考虑,可以得出以下结论: 对于不可压缩的、理想的流体在进行定常流动时,流管变细,流线变密,流体的流速将增加,流体的静压将减小;反之,流管变粗,流线变疏,流体的流速将减小,流体的静压将增加图1-5所示的实验可以定性的说明这个结果。

      当管道中的空气静止时,管道中各处的大气压力都一样,都等于此处的大气压力,所以,各测压管中指示剂液面的高度都相等(见图1-5(a))但当空气以某一速度连续稳定地流过管道时,情况就发生了变化,因为流动管道内的空气压力都有所下降,所以各测压管中指示剂的液面都有所升高,但升高的量却不一样管截面最细处的液面升高量最大,而管截面最粗处的液面升高量最小(见图1-5(b))这就是在忽略了空气可压缩性的情况下,空气连续而稳定的流过管道,在管截面最细处的速度最快,空气的压力下降的最多;在管截面最粗处的速度最慢,空气的压力下降的最小的原因所致图1-5 流速和压力的关系21 For Training Purpose Only 第2节 机体几何外形和参数2.1 机翼的几何外形和参数机翼的几何外形包括机翼翼型、机翼平面形状和机翼相对机身的安装位置2.1.1 机翼翼型 机翼横切面的形状称为机翼翼型对平直机翼就是用平行机身对称面的平面切割机翼所得机翼的切面形状见图1-6图1-6 翼剖面1-翼剖面;2-前缘;3-后缘;4翼弦表示机翼翼型的参数有: 1)弦线、弦长:翼型最前端的一点叫机翼前缘,最后端的一点叫机翼后缘。

      连接机翼前缘和机翼后缘的线叫弦线也叫翼弦弦线的长度叫几何弦长,简称弦长用符号b表示见图1-7图1-7 翼剖面的特性参数1-中线; Cmax-翼剖面的最大厚度;b-翼弦长度;f-弯度2)厚度、相对厚度:翼弦垂直线与翼型上下翼面的交点之间距离称为翼型的厚度厚度的最大值称为最大厚度Cmax最大厚度与弦长之比× 100% 称为相对厚度最大厚度的位置可以用最大厚度距前缘的距离Xc和弦长之比来表示Xc=( Xc/b)× 100%翼型厚度和最大厚度的位置是描写翼型的两个重要参数3)中弧线(中线)、弯度、相对弯度:垂直弦线的直线在上下翼面所截线段中点的连线叫中弧线中弧线到弦线之间的最大距离叫最大弯度,用fmax表示最大弯度与弦长之比叫相对弯度,fmax=(fmax/b)× 100%翼型可以用弯度特征、厚度特征、前缘半经和后缘角等参数来描述,改变这些参数可以得到不同的翼型,见图1-8低亚音速飞机机翼采用的翼型如图1-8(e)所示,它是前缘圆、后缘尖,具有一定弯度的不对称的双凸形翼型,相对厚度约为12%~18%,最大厚度的位置为30%左右对称翼型(g)的弯度为零,中弧线与弦线重合,一般用于尾翼随着飞行速度的提高,翼型的相对厚度逐渐减小,最大厚度的位置逐渐向后移。

      目前民用运输机机翼翼型的相对厚度约为8%~16%,最大厚度的位置约为35%~50%图1-8 各种不同的翼剖面2.1.2 机翼平面形状和参数从飞机顶上向下看去,机翼在平面上的投影形状叫机翼平面形状见图1-9表示机翼平面形状的参数有:图1-9 不同的机翼平面形状1)机翼面积:机翼在水平面内的投影面积叫机翼面积,用符号S表示,如图1-9中阴影部分所示2)梢根比(又称梯形比):翼梢弦长和翼根弦长之比,用符号h表示h=b梢/b根3)翼展展长:左右两翼尖之间的距离叫展长,用符号L表示4)展弦比:展长与弦长之比叫展弦比,用符号l来表示如果机翼形状不是矩形,弦长应取平均几何弦长b平均b平均=S/L,这样,l=S/L =L/b=L/ b平均=L²/S现代民用运输机一般采用大展弦比机翼,l=7~8,随着飞行速度的提高,展弦比将逐渐减小5)后掠角:沿机翼展向等百分比弦线点连线与垂直机身中心线的直线之间的夹角叫后掠角,用符号c来表示见图1-10飞机说明书中给出的常有机翼前缘后掠角,用co表示机翼1/4弦线点连线后掠角,用c1/4表示现代民用运输机机翼的后掠角c1/4大约在30度左右图1-10 机翼上有代表性的后掠角6)平均空气动力弦长:与实际机翼面积相等,气动力矩特性相同的当量矩形机翼的弦长,叫做平均空气动力弦长,用符号bA来表示。

      它是计算空气动力中心(焦点)位置和纵向力矩系数常用的一种基准弦长2.1.3 机翼相对机身的安装位置 1)机翼相对机身中心线的高度位置:上单翼、下单翼和中单翼(见图1-11)图1-11 不同的张臂式单翼机(a)伞式单翼机;(b)上单翼;(c)中单翼;(d)下单翼2)机翼相对机身的角度安装角:机翼根弦与机身中心线之间的夹角叫安装角安装角的大小应按照飞机最重视的飞行姿态来确定以巡航姿态为主的运输机,考虑到减小阻力,安装角一般取4°左右上反角、下反角:机翼底面同垂直机身对称面的平面之间的夹角从飞机侧面看,如果翼尖上翘,就叫上反角,用符号y表示;如果翼尖下垂,就叫下反角,用符号-y表示见图1-12图1-12 上反角和下反角纵向上反角:机翼安装角与水平尾翼安装角之差叫纵向上反角2.2 机身的几何形状和参数为了减小阻力,一般机身前部为圆头锥体,后部为尖削的锥体,中间较长的部分为等剖面柱体表示机身几何形状特征的参数有:机身长度Lsh、最大当量直径D及其所在轴向的相对位置和机身的长细比lsh =Lsh/D第3节 作用在飞机上的空气动力3.1 压力中心、升力和阻力飞机能在空中飞行最基本的事实是有一股力量克服了重力把飞机托举在空中,我们称这股力量叫升力。

      飞机在空中能向前飞行,还必须有动力装置产生推力克服阻力使之向前运动无论是升力还是阻力,都是飞机飞行时,空气作用在飞机上的力空气作用在与之有相对运动物体上的力称为空气动力飞机飞行时,作用在飞机各部件上的空气动力的合力叫做飞机的总空气动力,用R表示总空气动力R在飞机对称面内与飞机纵轴的交点叫压力中心,总空气动力在垂直来流方向上的分量叫升力,用L表示,在平行来流方。

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