空气动力学复习题.doc

飞行原理空气动力学复习思考题第一章 低速气流特性1 何谓连续介质？为什么要作这样的假设？连续介质把空气看成是由空气微团组成的没有间隙的连续体。作用把空气压强（P）、密度（）、温度（T）和速度(V)等状态参数看作是空间坐标及时间的连续函数，便于用数学工具研究流体力学问题。2 何谓流场？举例说明定常流动与非定常流动有什么区别。流场流体所占居的空间。定常流动流体状态参数不随时间变化；非定常流动流体状态参数随时间变化；3 何谓流管、流谱、流线谱？低速气流中，二维流谱有些什么特点？流线谱由许多流线及涡流组成的反映流体流动全貌的图形。流线某一瞬间，凡处于该曲线上的流体微团的速度方向都与该曲线相应点的切线相重合。 流管通过流场中任一闭合曲线上各点作流线，由这些流线所围成的管子。 二维流谱1.在低速气流中，流谱形状由两个因素决定：物体剖面形状，物体在气流中的位置关系。 2.流线的间距小，流管细，气流受阻的地方流管变粗。 3.涡流大小决定于剖面形状和物体在气流中的关系位置。4 写出不可压缩流体和可压缩流体一维定常流动的连续方程，这两个方程有什么不同？有什么联系？连续方程是质量守恒定律应用于运动流体所得到的数学关系式。在一维定常流动中，单位时间内通过同一流管任一截面的流体质量都相同。方程表达式：m=VA不可压流中，常数，方程可变为： VA=C（常数） 气流速度与流管切面积成反比例。可压流中，常数，方程可变为：m=VA适用于理想流体和粘性流体5 说明气体伯努利方程的物理意义和使用条件。方程表达式: 高度变化不大时，可略去重力影响，上式变为：即: 静压+动压=全压 (P0相当于V=0时的静压)方程物理意义:空气在低速一维定常流动中，同一流管的各个截面上，静压与动压之和（全压）都相等。由此可知，在同一流管中，流速快的地方，压力（P）小；流速慢的地方，压力（P）大。方程应用条件 1.气流是连续的、稳定的气流（一维定常流）； 2.在流动中空气与外界没有能量交换； 3.空气在流动中与接触物体没有摩擦或 摩擦很小，可以忽略不计（理想流体）； 4.空气密度随流速的变化可忽略不计 （不可压流）。 6图1-7为一翼剖面的流谱，设A1=0.001米2，A2=0.0005米2，A3=0.0012米2，V1=100米/秒，P1=101325帕斯卡，=225千克/米3。求V2、P2；V3、P3。图1-7 一翼剖面流谱P1+=P2+=P3+V1A1=V2A2=V3A3V2=200米/秒P2=-3273675帕斯卡V3=83米/秒P3=445075帕斯卡7.何谓空气的粘性？空气为什么具有粘性？空气粘性空气内部发生相对运动时，相邻两个运动速度不同的空气层相互牵扯的特性。其原因是：空气分子的不规则运动所引起的动量交换。8写出牛顿粘性力公式，分析各因素对粘性力是怎样影响的？牛顿粘性力公式为:S面积，在Y方向的速度梯度变化，粘性系数9低速附面层是怎样产生的？分析其特性。空气流过物体时，由粘性作用，在紧贴物体表面的地方，就产生了流速沿物面法线方向逐渐增大的薄层空气。这薄层空气称为附面层。沿物面各点的法线上，速度达到主流速度的99%处，为附面层边界。附面层的性质 1. 空气沿物面流过的路程越远，附面层 越厚； 2.附面层内沿物面法线方向各点的压力不变,且等于主流的压力。层流附面层分层流动，互不混淆，无上下 乱动现象，厚度较小，速度梯 度小；紊流附面层各层强烈混合，上下乱动明显， 厚度较大，速度梯度大。转捩点层流附面层与紊流附面层之间的一 个过渡区，可看成一个点。10顺压梯度和逆压梯度是如何形成的？分别如何影响主流和附面层气流的？图1-6 附面层的分离图1-5 翼型表面主流的压力变化 E点最低压力点E点之前顺压梯度E点之后逆压梯度 由机翼表面摩擦力而使气流速度增量减小，从而产生速度顺压梯度变化。机翼表面摩擦力进一步增大，产生逆压，致使气流反向流动，从而产生速度逆压梯度变化。 11什么叫气流分离？气流分离的根本原因是什么？在逆压梯度段，附面层底层的空气受到摩擦和逆压的双重作用，速度减小很快，至S点速度减小为零，附面层底层的空气在逆压的继续作用下，开始倒流，倒流而上与顺流而下的空气相遇，使附面层拱起，形成分离（S点为分离点）。 第二章 飞机的低速空气动力特性1. 常用的飞机翼型有哪几种？说明弦长、相对弯度、最大弯度位置、相对厚度、最大厚度位置、前缘半径和后缘角的定义？翼型几何参数：1.弦长（b） 翼型上下表面内切圆圆心的光滑连线称为中线。中弧线的前端点，称为前缘；后端点，称为后缘。前缘与后缘的连线叫翼弦，其长度叫弦长或几何弦长。2.相对弯度（） 翼型中弧线与翼弦之间的距离叫弧高或弯度(f)。最大弧高与弦长的比值，叫相对弯度。相对弯度的大小表示翼型的不对称程度。3.最大弯度位置() 翼型最大弧高所在位置到前缘的距离称为最大弯度位置。 通常以其与弦长的比值来表示。 4.相对厚度（） 上下翼面在垂直于翼弦方向的距离叫翼型厚度()。 翼型最大厚度与弦长的比值，叫翼型的相对厚度。5.最大厚度位置（ ） 翼型最大厚度所在位置到前缘的距离称为最大厚度位置。 通常以其与翼弦的比值来表示。6.前缘半径（r） 翼型前缘处的曲率半径，称为前缘半径。7.后缘角（） 翼型上下表面围线在后缘处的切线之间的夹角，称为后缘角。2. 常用的机翼平面形状有哪几种？说明机翼面积、展长、展弦比、根尖比和后掠角的定义？常用的几种机翼平面形状：1.机翼面积（）襟翼、缝翼全收时机翼在平面上的投影面积所占的那部分面积 (一般包括机身)。波音737： 105.4米22.展长（）机翼左右翼端（翼尖）之间的距离。波音737 ：28.91米3.展弦比（） 展长与平均弦长（av）之比。歼击机：25 轰炸、运输机：712滑翔机、高空侦察机：1619波音737： 8.834.根尖比（） 翼根弦长(bx) 与翼尖弦长(bt)之比。=bx/bt矩形翼 =1 三角翼 =初教六 =2歼教八 =2.155.后掠角（） 机翼上有代表性的等百分弦线（如前缘线、弦线、后缘线等）在平面上的投影与轴之间的夹角。 后掠角大小表示机翼向后倾斜的程度。 一般常用14弦线后掠角作为机翼的后掠角。3. 说明迎角的物理意义？迎角的概念定义：翼弦与相对气流方向之间的夹角。(用表示)正负:相对气流方向指向机翼下表面，迎角为正； 指向机翼上表面，迎角为负； 相对气流方向与翼弦平行，迎角为零。4以双凸翼型为例，说明迎角对流谱的影响，并根据翼型的流谱画图分析翼型升力的产生。机 翼升力的作用点叫机翼压力中心。 飞机各部分升力的总和就是飞机的升力。飞机升力的作用点，叫飞机压力中心。上表面上表面弯曲大流管变细流速快压力小 空气流过机 翼上下表面 下表面弯曲小流管变粗流速慢压力大 压力差（P）垂直相对气流方向总和Y翼5何谓剩余压力、正压力、吸力和压力系数？分别用矢量表示法和坐标表示法画出翼型压力系数分布示意图。压力系数剩余压力与远前方气流动压的比值。剩余压力测量点静压与大气压力的差值。表示方法矢量表示法2-11 用矢量法表示的翼型压力线段的方向箭头向外为吸力；箭头向里为正压力。坐标表示法6.写出升力公式，说明公式中各项的物理意义。升力公式y 升力系数 空气密度 远前方气流速度 机翼面积y综合表达了翼型、迎角和气流M数对升力影响的无因次数值。7影响机翼升力大小的因素有哪些？各是怎样影响的？说明升力系数的物理意义。影响升力的因素：迎角对升力的影响 临, Y翼 Y大小变 变 临压力中心后移 迎角对升力的影响临, Y翼 Y大小变 变 临压力中心后移 翼型对升力的影响其它因素不变时，翼型形状不同，升力不同: 平凸翼型Cy最大;双凸翼型次之;对称翼型最小。总之，翼型形状对升力的影响其它因素不变时，翼型形状不同，升力不同，平凸翼型Cy最大;双凸翼型次之;对称翼型最小。相对气流动压对升力的影响：其它因素不变时，动压大Y大。y综合表达了翼型、迎角和气流M数对升力影响的无因次数值。8画出升力系数曲线示意图。说明0、cr、ymax的含义及影响因素。升力系数曲线飞机升力系数随迎角变化的曲线。机翼翼型升力系数曲线零升迎角（0 ）升力系数为零的迎角。影响因素 相对弯度 相对弯度增加， 0 增升装置 增升装置放下， 0 地效 有地效影响， 0临界迎角（cr）和最大升力系数（ymax）影响ymax的因素相对弯度 相对弯度大，ymax大最大弯度位置 最大弯度位置15时最大 相对厚度 过大过小ymax都会减小 相对厚度914时最大 前缘半径 前缘半径大，ymax较大。无地效，收起落架、襟翼时9什么是摩擦阻力，压差阻力和诱导阻力？分别分析其产生原因。 摩擦阻力气流与飞机表面发生摩擦形成的阻力。 产生原因 附面层底层存在法向速度梯度摩擦力方向与飞机面相切 各处摩擦力在相对气流方向上投影的总和即为飞机的摩擦阻力。 紊流附面层摩擦阻力大。压差阻力有空气粘性间接造成的一种压力形式的阻力。产生原因由于 空气粘性作用导致机翼前后压力不等形成的阻力机翼的粘性压差阻力，机身、尾翼等其它部分也会产生压差阻力，飞机各部分压差阻力的总和就是飞机的压差阻力。诱导阻力诱导阻力是伴随升力而产生的阻力。既由升力诱导而产生的阻力。产生原因： 升力上表面压力小，下表面压力大，下表面空气绕过翼尖流向上表 面上下翼面空气流出后缘时具有不同流向，形成旋涡形成翼尖涡形成向下速度（下洗速度）使流过机翼的空气发生变化（相对气流速度和下洗速度的合速度方向流动，向下倾斜）下洗流使升力向后倾斜一个角度（实际升力Y）垂直分力（Ycos）升力（有效升力）；平行分力（Ysin）阻力诱导阻力（Xi）。10写出阻力公式，说明阻力系数的物理意义。影响阻力大小的因素有哪些？ 阻力公式 x阻力系数。翼型阻力系数。综合表达了机翼迎角、翼型和机翼表面光滑程度等因素对阻力的影响。迎角对压差阻力和诱导阻力的影响 摩擦阻力基本不随迎角变化。 压差阻力：中、小变化不大 ；大明显增大；临急剧增大。 诱导阻力：在临范围内增加Xi迅速增加。翼型和机身形状对压差阻力的影响 平凸型较大 翼型不同，压差阻力不同 双凸型较小 对称型最小 尖头尖尾最小 机身形状不同，压差阻力不同 纯头较大 切尾旋成体最大展弦比对诱导阻力的影响 同翼面积展弦比小（短而宽），诱导阻力大； 翼平面形状其它条件相同椭圆翼诱导阻力最小,矩形翼诱导阻力最大11.什么是翼尖效应和翼根效应？说明后掠翼和平直翼低速空气动力特性不同的基本原因。流线左右偏斜，影响机翼的压力布 “翼根效应” 小翼根上表面前段，流线向外偏斜，流管变粗流速增加不多， 压力减小不多吸力减小；后段，流线向内偏斜，流管变细速度增加，吸力增加。流管最细的位置后移，最低压力点后移。翼根效应使翼根部分平均吸力减小，升力系数减小。翼根效应-最低压力点后移，平均吸力，Cy。“翼尖效应” 翼尖上表面前段，流线向外偏，流管变细速度增加，压力减小吸力增加；后段，流线向内偏斜，流管变粗速度减小吸力减小。流管最细的位置前移，最低压力点前移。翼尖效应使翼尖部分平均吸力增大，升力系数增大。翼尖效应-最低压力点前移，平均吸力，Cy。故后掠翼低速空气动力特性不同于平直翼的基本原因： 后掠翼空气动力主要取决于有效分速； 后掠翼的翼根效应和翼尖效应影响后掠翼压力分布。总之，后掠翼与平直翼相比： 1.后掠翼没到临界迎角之前，会较早抖动； 2.抖、临界及y抖、Cymax差别较大。 3.后掠翼在临界迎角附近，y变化缓和。12何谓升阻比和极线？画出升阻比和极曲线示意图，说明升阻比和极线随迎角的变化规律，并解释原因。说明曲线用途。升阻比（）同一迎角下升力与阻力的比值。升阻比越大，说明同一迎角下的升力比阻力大的倍数越多，或同一升力下的阻力越小。从曲线看出， 有，k =有kmax同一机型的飞机，翼型不变,低速飞行时，升力系数和阻力系数只随迎角变化，所以升阻比也随迎角变化。有利迎角升阻比最大的迎角。飞机极线以横坐标表示阻力系数，纵坐标表示升力系数，迎角为参变量，把升力系数和阻力系数随迎角变化的规律用一条曲线表示出来，这条曲线叫做飞机极线，也称极曲线。飞机极线综合表达了飞机空气动力性能随迎角（或升力系数）变化的规律。飞机极线的用途可查出该型飞机的零升迎角、临界迎角、有利迎角及其对应的升力系数、阻力系数值。可看出升力系数、阻力系数、升阻比随迎角的变化规律。同升力系数曲线联合使用，可查出各迎角的升力系数、阻力系数。可求出各迎角的总空气动力系数，看出各迎角总空气动力的方向。13.说明减小升阻比的方法和在不同飞行阶段使用的原因。 略。14.增升装置有哪些？简要说明增升原理。通常所说的襟翼，指的是后缘襟翼。襟翼有简单襟翼、分裂襟翼、开缝襟翼、后退襟翼等多种形式。另外还有前缘缝翼、机动襟翼、喷气襟翼、附面层控制装置。增升装置（各种襟翼）增升的基本原理是：1.增大机翼弯度；2.增大机翼面积；3.增大机翼上下压力差。15.什么是地面效应？对飞机空气动力有什么影响？地面效应飞机在起飞、着陆或贴近地面飞行时，由于流经飞机的气流受到地面的影响，致使飞机的空气动力发生变化的现象称。影响：在一定迎角范围内，各迎角下的升力系数普遍增大，临界迎角减小，最大升力系数降低。16.说明螺旋桨拉力产生的原因。简要分析拉力随速度、油门和高度的变化规律。相对气流流过桨叶前桨面流管变细，流（同机翼上表面）速加快压力降低；相对气流流过桨叶后桨面 流管变粗，流（同机翼下表面）速减慢压力升高。桨叶前后桨面压力差总和产生桨叶总空气动力（R）。R的分力P（与桨轴平行）拉力Q（与桨轴垂直）旋转阻力拉力随飞行速度的变化速度、拉力相互联系相互制约。H、油门不变时VP或VP原因：VQnR偏斜，P减小拉力随油门位置的变化V、H不变时加油门P收油门P原因：加油门功率nP拉力随飞行高度的变化吸气式活塞发动机随着飞行高度的升高，发动机有效功率一直降低，螺旋桨的拉力也一直减小。17.螺旋桨有哪些副作用？对飞行有什么影响？螺旋桨滑流螺旋桨的滑流螺旋桨旋转时，被螺旋桨拨动而向后加速和扭转的气流。滑流扭转角滑流速度与飞机远前方相对气流速度之间的夹角。滑流扭转作用左转螺旋桨垂尾机身尾部产生向左的侧力右偏力矩右转螺旋桨左偏力矩滑流扭转作用的强弱与发动机功率有关。加油门扭转作用增强，偏转力矩增大；收油门偏转力矩减小。不随飞行速度变化滑流扭转角滑流动压相互抵消消除措施（飞行操纵，以初教六为例）加油门蹬左舵（保持方向平衡，操纵力矩=偏转力矩）收油门回左舵（蹬右舵）油门不动减小蹬舵量加大蹬舵量加减油门时，因滑流速度变化还会导致水平尾翼的升力变化，破坏飞机的俯仰平衡，应推拉驾驶杆修正。螺旋桨进动当飞机俯仰转动或偏转改变螺旋桨转轴方向时，由于螺旋桨的陀螺效应使机头绕另一个轴转动的现象。陀螺力矩飞行条件一定时，、一定，进正比于。即飞机转动越快，陀螺力矩越大，进动作用越强。转动惯量转动角速度进动角速度18.说明螺旋桨所需功率、有效功率和效率的物理意义。螺旋桨旋转所需功率（N桨需）螺旋桨旋转所消耗的功率。N桨需=M=n3D5式中：M螺旋桨旋转阻力力矩螺旋桨旋转时角速度，=2n（1/秒）螺旋桨功率系数。螺旋桨有效功率（N桨）（或螺旋桨推进功率）螺旋桨的拉力在单位时间（秒）对飞机所做的功。N桨=PV螺旋桨效率（）螺旋桨有效功率与发动机有效功率之比。N有效发动机有效功率第三章 高速气流特性1 写出音速公式，简述空气压缩性与音速之间的关系。 音速大小用下式表示： （T高a大； T低a小） 即：气温高，空气难压缩，音速快；反之，气温低，可轻易压缩，音速慢。所以音速大小取决于空气的温度。2说明M数的物理意义。飞行高度和速度对飞行数有什么影响？ M数的物理意义：气流M数大小综合表达了气流速度和音速对空气密度变化量的影响，即反映了空气压缩程度。气流M数大，表明气流速度大或音速小，即空气压缩量大；反之，气流M数小表明气流速度小或音速大。即空气的压缩量小。高度越高，空气密度越小，音速越小，飞行M数越大；速度越快飞行M数越大。M1超音速流；M=1等音速流。3写出一维绝热流动的能量方程，并与伯努利方程进行比较。一维绝热流动的能量方程：上式中：动能； 内能； 压力能表明在绝热过程中，三种能量可以相互转换，但总和保持不变。与低速能量方程（伯努利方程）区别：高速时：温度、密度变化，三种能量参与转换，低速时：温度、密度不变，二种能量参与转变（内能不参与 转换）。 总之，高速的伯努利定理VP、T都VP、T都方程应用条件适用于绝热、理想和粘性气流。4分析亚音速流和超音速流中，流管截面积与流速的关系。要获得超音速气流为什么一定要采用拉瓦尔管？ 将连续方程 VA=常数 微分得： （1）表达了可压缩气流流管截面积相对变化量与流速 相对变化量之间的关系；（2）由式中看出：如图3-1所示： 亚音速时，M1,dA与dV异号VA（截面积） VA 超音速时，M1,dA与dV同号VA VA故亚音速气流经过收敛形管道加速；超音速气流经过扩散形管道加速。拉瓦尔管 如图3-2所示。图3-2 拉瓦尔喷管先收敛后扩散的管道，使气流加速到超音速。5.明超音速气流流过一外凸角和外凸曲面时，膨胀波区的形成过程及膨胀波区前后气流参数的变化情形。超音速气流通过扩张管道加速，气流外折一个角度，转折点为扰动源。以波的形式向四周传播，扰动波不能逆气流方向向前传播，只限于以扰动波为边界的锥形内，通过波面后，流速增加，压力降低，该波面为膨胀波。如图3-3所示。图3-3 扇形膨胀波通过膨胀波后参数变化V，M，T，P， 6.飞机头部激波是怎样产生的？正激波和斜激波有什么区别？ 飞机头部激波产生原因：超音速气流受阻挡形成强扰动波强扰动传播速度（u）大于音速（a）而向前传播传播时，压力减小，扰动强度减弱，扰动传播速度减小扰动传播速度（u）等于相对气流速度（V）时不能前传，形成界面激波。正激波波面与气流方向垂直。 通过正激波P、T突，V突（由超变亚），气流方向不变。斜激波波面与主流方向不垂直。 通过斜激波P、T都，V（可能超可能亚），气流方向向外或向内折一角度。7什么是激波角？激波角是怎样变化的？图3-6 激波前后静参数大小的比较。图中斜激波与气流主流方向夹角为激波角。参数变化通过激波V，P,T8如图3-6所示，比较飞机在超音速飞行中，、点的流速、压力、密度、温度的大小，并说明原因。图3-6 激波前后静参数大小的比较 略原因：空气压缩气流动能转化为内能和压力势能，使温度升高，压强增大，空气密度增大、流速减小，第四章 飞机的高速空气动力特性1空气压缩性对翼型表面压力分布有何影响？为什么？ 试画出双凸形翼型当下表面产生正压力时，压缩气流和非压缩气流的压力分布示意图。空气压缩性对翼型表面压力分布的影响如图4-1所示，翼型表面压力系数分布特点“吸处更吸，压处更压”。图4-1 压缩气流与非压缩气流中的翼型压力分布原因：空气流过翼型表面，吸力区流速增加，密度减小，压力有额外降低，吸力有额外升高。2.说明翼型的亚音速空气动力特性，并解释原因。（1）Cy且图4-2 M数增大后，翼型的压力分布又 M1 1-M21MCy，Cy（2）数cr,Cymax如图4-2所示上表面额外吸力最低压力点压力更小，逆压梯度附面层空气更易倒流在较小迎角下分离使cr,Cymax。（3）Cx不变 M前缘压力额外增加X压 M（V或a），aT粘性系数X摩X压和X摩抵消（4）M压力中心前移M上表面前段压力系数增加倍数比上表面后段多。 3什么叫临界数？说明其物理意义。临界数（Mcr） 机翼的临界速度（Vcr）与飞机所在高度音速（a）的比值。 即Mcr=Vcr/a（Vcr-翼型表面最低压力点的气流速度等于该点的音速，这时的飞行速度。） MMcr-气流特性有质变。（产生局部激波和局部超音速区） 故Mcr大小，可说明机翼翼型上表面出现局部超音速气流时机的早晚，也可作为机翼翼型空气动力特性发生显著变化的标志。4翼型表面局部激波是怎样产生的？又是怎样发展的？“局部激波总是先在翼型上表面产生。”对吗？为什么？局部激波的产生MMcr时等音速点的后空气膨胀加速压力降低翼型后压力接近大气压力且形成逆压梯度压力波向前传播当传播速度等于迎面气流速度时，稳定在此位置形成局部激波。局部激波前，等音速线后即为局部超音速区。气流通过局部激波后，V为亚音速，P，T。 局部激波的发展以接近对称的薄翼型，在小正迎角下的情况为例M等音速点前移，局部激波后移使超音速区扩大 。当M到一定程度，下表面出现局部激波和局部超音速区。 M继续翼型上下表面等音速线前移，局部激波后移局部超音速区扩大。M再下表面局部激波先移到后缘M1时，上表面局部激波也移到后缘翼型后缘出现两道斜激波，上下表面几乎全是超音速区。M1时前缘出现激波，全为超音速了。 总之，局部激波发展规律:产生先后-上先下后； 后移快慢-上慢下快； 激波形状-形（斜激波正激波）激波局部激波总是先在翼型上表面产生原因：局部激波总是先在翼型上表面产生，因为机翼要产生向上的升力，那么就必须使机翼上表面气流速度大于下表面气流速度从而使机翼上表面先产生局部激波。图4-5 升力系数随M数的变化5画出翼型升力系数随数变化的曲线示意图，说明跨音速时的变化规律，并解释原因。Cy随M的变化（如图4-5所示）MMcr(跨音速阶段)：AB段-上表面产生局部激波和局部超音速区，吸力，Cy；BC段-下表面产生局部激波和局部超音速区，吸力Cy；CD段-下表面发展到后缘，上表面局部超音速区继续发展，向上吸力，Cy。M1后（D点以后）-全为超音速。 M，Cy 。升力(Y)随M数的变化Y大小决定于Cy和V2（M）。 一般，MCyY。M一定程度，CyY或（要看V变化情况而定） 6跨音速飞行时，翼型压力中心随飞行数是怎样变化的？为什么？压力中心随M数变化