流体力学论文飞机升力产生的原因.doc

_机翼升力原理的分析 摘要：关于机翼升力产生的原因，一直以来有多种理论和实验来说明，本文我们将通过对几种理论的分析来说明机翼升力产生的真正原因，同时我们也要分析这些弊端，与本文的观点对照，去伪存真。 【关键词】：机翼升力，理论一飞机升力产生的伯努利原理 图1表示机翼与气流的关系，飞机机翼一般前端圆钝，后端尖锐，上表面拱起，下表面较平前端点叫做前缘，后端点叫做后缘，两点之间的连线叫做翼弦。机翼所产生的升力源于机翼相对于空气的运动。我们假设以机翼为参考系，空气相对于机翼运动，翼弦与气流方向的夹角叫做迎角。空气流过机翼前缘，分成上下两股，分别沿机翼上下表面流过。由于机翼有一定的正迎角，上表面又比较凸出，所以上表面流线弯曲大，流管变细，流速加快，压力减小；下表面流管变粗，流速减慢，压力增大。于是机翼上下表面出现压力差，上下表面压力差在垂直于相对气流方向的总和就是机翼的升力。 流体在流动时，除应遵守质量守恒定律外，还应遵守能量守恒定律。这条定律在空气动力学中称为伯努利原理，其数学表示为方程中P为静压，1/2V*2为动压，因此伯努利方程可以表述为：稳定气流中，在同一流管的任一截面上，空气的动压和静压之和保持不变。即流速变大压强变小，反之流速变小压强变大。二、对机翼升力的误解 1.教材对飞机升力的解释人教版教材是这样引导学生的：几十吨重的飞机为什么能够腾空而起？秘密在于机翼。你观察过飞机的机翼吗？它的截面是什么形状？将飞机升力产生的焦点指向机翼的形状。接着这样解释：飞机前进时，机翼与周围的空气发生相对运动，相当于有气流迎面流过机翼，气流被机翼分成上下两部分，由于机翼横截面的形状上下不对称，在相同的时间内，机翼上方气流流过的路程较长，因而速度较大，它对机翼的压强较小；下方气流通过的路程较短，因而速度较小，它对机翼的压强较大。因此在机翼的上下表面存在压强差，这就产生了向上的升力。在学生学过这部分知识后，若教师提问：机翼的升力是怎样产生的？学生都认为是由机翼的形状产生的，甚至许多教师也是这样认为的。实际上这样的观点是不全面的，会对学生造成误导，产生这样的原因是由教材的不恰当表述造成的。 2.学生实验中的发现引出的问题课后，好奇心使一些学生反反复复用电吹风机对着机翼模型吹气，发现了无法解释的现象：当机翼模型的凸面向下时，用电吹风吹气，机翼模型也能产生升力“飞”起来。按照教材的解释，此时产生的升力方向向下，机翼模型重力方向也向下，二者的合力向下，机翼模型不会升起来，事实上它却升了起来，显然教材的解释出现了问题。按照教材的说法，也无法解释早期双翼飞机的平板形机翼是如何产生升力的。现代许多战斗机机翼是上下对称的菱形，它们是怎样产生升力的？飞行表演时机腹向上的倒飞如何解释？显然教材对飞机升力的解释有一定的片面性，需要改进表述方法。3 飞机升力产生的其他原因 1.康达效应指的是，气流流经机翼曲面时，气流会紧贴机翼表面（这当然也有一点伯努利效应的含义）。这样，机翼的形状有效地改变了气流的方向，使离开机翼的气流相对飞机作向下的高速运动。机翼推开气流，但这个运动受力的反作用力作用于机翼上，相当于气流也在推开机翼，这个力使得机翼向上举起。 2.气流冲击效应是指实际上，飞机产生升力的一个重要原因还与气流的冲击角度有关。捏住纸的上边缘两角，使纸自然下垂，对着纸的上边缘上方水平吹气，纸会飘起来，这是伯努利效应的结果；但正对着下垂的纸面水平吹气，纸也会飘起来，这是气流冲击效应的结果。当气流相对于机翼从前下方以一定的角度吹时，机翼就会产生向上的升力，机翼模型凸面向下也能“飞”起来就是这个原因。为此，现代飞机的机翼与其自身有一个大约4的倾角，当飞机从将场起飞时，机头总是高高抬起形成更大的迎角，以获得较大的气流冲击效应。气流的冲击力在机翼上分解为对飞机的阻力和向上的升力，飞机的发动机产生的推力克服阻力使飞机前进，向上的升力使飞机腾空而起。机翼迎角的作用换而言之就是改变气流的运动方向，好像把空气向下推，因而空气对机翼产生向上的反作用力，把机翼向上推，产生升力。飞机倒飞表演时总是机头高昂，形成较大的迎角，只要迎角合适，产生的升力照样能使飞机在空中飞行。 3.物理学中流体力学定量计算升力的公式为，其中Y为升力，C为升力系数，S为机翼的特征面积，为空气密度，v为空气流体的速度。升力系数C与机翼横截面的形状，气流与机翼所成的角度(即迎角)等有关。可见在对飞机升力的贡献中机翼形状只占一部分，机翼形状所产生的伯努利效应只能解释很小的一部分升力。如果飞机仅仅根据“伯努利原理”来飞行，现代的许多战斗机就飞不上天，更无法倒飞表演，而能飞起来的飞机机翼形状必须非常“拱起”。 四飞机升力与飞行速度有关 升力与飞机的速度有关，飞机必须达到一定的飞行速度，才能产生足够的升力与飞机重量相平衡。对飞机的起飞来说，无风、顺风与逆风，哪一种条件较为有利呢？答案是逆风。因为飞机要从跑道上飞起来，只有在它的机翼所受的升力达到并超过机重时才有可能，而机翼所受的升力跟飞机对空气的相对速度有关，相对速度越大，升力越大。可见，要达到同样的相对速度，逆风时飞机对地速度较小，顺风时飞机对地速度较大，无风时飞机对地速度居于两者之间，所以飞机在逆风的条件下起飞较为有利。飞机在直线飞行中，要保持升力不变，当速度增大时应相应地减小迎角；反之当速度减小时就应相应地增大迎角。5 结论1. 其他一些理论如康达效应和气流冲击效应比较可靠的解释了机翼升力产生的主要原因。2.机翼的升力与上面说的道理一样，因为机翼上表面是凸曲面，所以，通过机翼上表面各点之后的气流也会离开机翼上表面，因此在机翼与气流之间就会产生负压，这一负压一方面使气流贴向机翼，另一方面也使机翼受到向上的力的作用（因为机翼下表面是大气压）。机翼上表面各点之后的负压综合在一起也就形成了所谓的机翼升力。机翼的升力就是这么来的，这也就是机翼升力的真正原因。 若机翼的迎角过大，离开机翼上表面的气流与机翼之间的间隙就会过大，机翼周围的空气也就很容易流入填补这一间隙，这样负压升力也就不会产生。这也就是所谓的失速现象。因为机翼的升力是在凸曲面各点之后产生的，所以，机翼的诱导阻力总是向后的。3.以往的理论认为“流速高压力小”，所以才会有升力产生。其实 液体从左向右流过这样的管道，在 a-a 截面，流体就加速了，到 b-b 截面流速最高，而在 c-c 截面，虽然流速降低了，但是还是处于比较高的流速状态。按照流速高压力小所以产生升力的理论，应该说在 a-a 截面和 c-c 截面都会产生升力，而不是非要等到 b-b 截面才会产生升力。若真的如此，那么升力就是垂直向上的，而不是向后的了。但事实是，升力是向后方倾斜的。而按照我的新的解释，升力是在 b-b 截面之后产生的，是由于流体离开翼面而生产的，所以升力是向后方倾斜的。 而且在管道内，低流速处的高压是为管道下游的流速的增加而准备的。因为下游要提高流速，所以需要有力，所以管道上游的压力就必须是高的，否则管道下游的流体靠什么来加速呢？这种高压低压是管道上下游相比较而言的，而不是机翼上下表面相比较而言的，所以从这个角度来解释机翼的升力也是不对的。 又有人说，机翼上部是弯曲的，流道变窄，空气流过时流速会增加，所以导致了升力的产生。其实，这个说法也是不对的。因为大气不是封闭的，而且大气层也很厚，机翼的这一点点起伏根本不会对大气的流速产生什么影响。因此也不会有啥流速高压力低道理。 因此我们得出结论伯努利效应只是机翼升力形成的很小一部分原