空气动力学基础知识.ppt

空气动力学与飞行力学基础知识,内容,绪论基本概念飞行力学基础,绪论,飞行器空气中的运动体，一个复杂的被控对象，要想控制它，需要了解气流特性与飞行器在气流中飞行时的特性飞行力学：研究飞行器在大气中飞行时的受力与运动规律，建立飞行器动力学方程,空气动力学是力学的一个分支研究物体在同气体作相对运动情况下的受力特性、气体流动规律和伴随发生的物理化学变化。它是在流体力学的基础上，随着航空工业和喷气推进技术的发展而成长起来的一个学科。还涉及飞行器性能、稳定性和操纵性等问题。包括外流、内流。遵循基本规律：质量守恒、牛顿第二定律，能量守恒、热力学第一、第二定律等。,发展简史：18世纪流体力学开始创建：伯努利公式、欧拉方程等。19世纪流体力学全面发展；形成粘性流体动力学、空气-气体动力学：NS方程、雷诺方程等。20世纪创建完整的空气动力学体系：儒可夫斯基、普朗特、冯卡门、钱学森等，包括无粘和粘性流体力学。1903年莱特兄弟实现飞行，60年代计算流体力学。,分类：低速亚声速跨声速超声速（高超）稀薄气体空气动力学、气体热化学动力学、电磁流体力学等工业空气动力学,研究方法：实验研究风洞、水洞、激波管中进行的模型试验（相似原理）飞行试验优点：较真实、可靠不足：不能完全、准确模拟、测量精度、人力、物理理论分析流动现象=物理模型=基本方程=求解=分析、判断=修正揭示内在规律，受数学发展水平限制、难满足复杂问题数值计算近似计算方法（有限元）经费少、但有时结果可靠性差,我国发展概述风筝、火箭、竹蜻蜓、气球等1934年、航空工程系50、60年代航空工业崛起70年代建立门类齐全的航空工业体系改革开放后跨越发展,第一节空气动力学的基本知识,一、流场定义可流动的介质（水，油，气等）称为流体，流体所占据的空间称为流场。流场的描述流体流动的速度、加速度以及密度p、压强p、温度T（流体的状态参数）等几何位置与时间的函数（1）流体微团：空气的小分子群，空气分子间的自由行程与飞行器相比较太小，可忽略分子的运动（2）流线：流体微团流动形成的轨线，流线不相交、流体微团不穿越流线（分子的排斥性）,一、流场（续）,（3）流管：多个流线形成流管管内气体不会流出管外气体也不会流入，不同的截面上，流量相同（4）定常流：流场中各点的速度、加速度以及状态参数等只是几何位置的函数，与时间无关（5）流动的相对性物体静止，空气流动物体运动，空气静止,相对速度相同时，流场中空气动力相同,二、连续方程,在流管上取垂直于流管中心线上流速方向的两个截面，截面I：截面：空气流动是连续的，处处没有空隙定常流：流场中各点均无随时间分子堆积，因而单位时间内，流入截面的空气质量必等于流出截面的空气质量质量守恒原理在流体力学中的应用或写成：在V小、小范围内连续方程：,A大，V小A小，V大,三、伯努里方程（能量守恒定律）,在低速不可压缩的假设下，密度为常数伯努里方程：其中：p-静压，1/2V2动压，单位体积的动能，与高度、速度有关表明静压与动压之和沿流管不变当V=0，p=p0，最大静压,V大，p小；V小，p大,四、马赫数M,马赫数：为气流速度(v)和当地音速(a)之比:音速：微弱扰动在介质中的传播速度。音速：T:空气的绝对温度音速a与温度有关，表示空气受压缩的程度,是高度的函数临界马赫数Mcr迎面气流的M数超过某数值时，翼面上出现局部的超音速区，将产生局部激波，此时远前方的迎面气流速度V与远前方空气的音速a之比Mcr-每种机翼的特征参数飞行速度定义M5为高超音速飞行,五、弱扰动的传播,飞机在大气中飞行扰动源扰动源以速度V在静止空气中运动，相当于扰动源静止而空气以速度v流动扰动源v=0，以音速传播（a）Va,M1,（d）前方空气未受扰飞机前临近空气,突然，形成激波,受扰区限于扰源下游的马赫锥内,六、激波,气流以超音速流经物体时，流场中的受扰区情况与物体的形状有关，超音速强扰动，产生激波激波实际上就是气流各参数的不连续分界面在激波之前，气流不受扰动，气流速度的大小和方向不变，各状态参数也是常数；气流通过激波，其流速突然变小，温度、压强、密度等也突然升高钝头物体的激波是脱体波（正激波），产生大波阻楔形物体的激波是倾斜的（附体波），波阻较小，用于超音速飞机的机头,七膨胀波,伯努利静态公式不适用于高速流动情况，由于空气高速流动时密度不是常数由推导伯努利方程动态过程，得出考虑到空气的可压缩性的能量守恒方程：流管截面积增大(dA为正)的情况下，流速变小或增大,与M数有关超音速气流的变化过渡区内气体是连续膨胀的，叫膨胀波,亚音速时M1.5，大幅度减小在全飞行包线内升力系数是M数、高度、e的函数4维函数吹风数据,0.5,二、阻力D,气流作用于物体表面的法向力及气流对物体表面的切向摩擦力，形成了阻力。两部分：零升阻力（与升力无关）:摩擦阻力、压差阻力和零升波阻升致阻力（升力导致）:诱导阻力和升致波阻1.摩擦阻力与压差阻力空气是有粘性的，紧贴物面处的流速V为零沿物面的法向流速V逐渐增大附面层：从V=0到V为自由流速的99%之间的流层牛顿内摩擦应力公式：切向应力，空气粘性系数，V/n沿物面法向的速度梯度，空气粘性与速度差形成阻力,1.摩擦阻力与压差阻力（续）,层流附面层：各层互不混杂紊流附面层：各层流体微团间相互渗透转换点：飞行速度加大或翼面粗糙度增加时，转换点前移压差阻力顺压区最小压力点前流速增加，压力降低附面层薄逆压区流速减小，压力升高，附面层增厚分离点：空气不沿翼面流动，附面层分离形成漩涡区升力不再增加压差阻力：翼型前缘高压区与后缘低压漩涡区，形成向后的压力差分离点愈靠前，漩涡区愈大，压差阻力也愈大,2.零升波阻-升力为0时的波阻,超音速飞行机身头部、机翼与尾翼前缘产生激波，空气压力，阻止飞机飞行，称为波阻亚音速飞行马赫数超过临界Mcr，翼面上有局部超音速区，产生波阻激波对附面层的干扰使附面层分离，甚至在=0时也会出现，因此形成零升波阻。减小波阻的措施尖前缘、薄型机翼，大后掠角，小展弦比机翼，尖锐头部的细长机身等，是超音速飞机的气动外形主要特征,3.升致阻力-存在升力而增加的阻力,1）亚音速飞行时诱导阻力翼尖形成自由涡和下洗角，升力有了向后的分力CDi=CLCDi诱导阻力系数展弦比大，诱导阻力小（滑翔机）2）超音速飞行时升致波阻上翼面气流膨胀形成低压，下翼面气流压缩形成高压压力差形成的升力垂直于翼弦线升力（应垂直于气流速度）沿远前方气流方向都有向后的分量CDi=CLsin称为升致波阻整机升致阻力系数CD=ACL2,3维机翼升力小于2维机翼的升力,4.整个飞行器的阻力,飞机的阻力系数CD=CD0+CDiCD0零升阻力系数，CDi升致阻力系数小迎角：CD=CD0(M)+A(M)CL2阻力系数不仅与CL有关，且与M数有关迎角=0时CD0M曲线升阻比极曲线M，CD，CL升阻比升力/阻力，越大越好以较小的阻力获得较大的升力与升力一样，可能是四维函数与气动结构有关，总体设计要求,三、纵向俯仰力矩M,作用于飞机的外力产生的绕机体oy轴的力矩气动力矩和发动机推力T产生的力矩推力T不通过飞机质心推力产生的力矩：MT=T*zTzT推力到质心的距离，T向量在质心之下，zT0空气动力引起的俯仰力矩是飞行速度、高度、迎角及升降舵偏角的函数（静态）当俯仰速率，迎角变化率，升降舵偏转速率等不为零时，还会产生附加俯仰力矩（动态）也可用俯仰力矩系数Cm描述：,（一）定常直线飞行的俯仰力矩,1.机翼产生的俯仰力矩Mw机翼升力产生（1）二维机翼的气动力矩二维机翼：展长无限大，直机翼（简化模型，忽略阻力）作用于翼型表面的压力除了升力和阻力外，还有一个力矩，力矩的大小与归算点有关。二维机翼的升力系数：CL=L/(QS)俯仰力矩系数：Cm=M/(QSc)，如右图所示c二维翼弦长，S-某翼段面积如图：CL=0（=0），Cm0零升力矩系数Cm0与归算点无关，纯力偶在1015，可用线性方程描述：Cm=Cm0+(Cm/)o(-0)(Cm/)oo表示对前缘点取矩对前缘点的俯仰力矩导数，斜率,（1）二维机翼的气动力矩,CL与Cm都有线性特性，可以改变取矩点，寻找一个新的点：迎角变化时，只有升力改变，而力矩不变取某点F：设力矩系数式中：为无因次距离，进一步如果使CmF不随迎角改变，应满足因此可得即：只有(Cm/)与(CL/)都是常值时，才是常值F点焦点，增量升力作用点对焦点的力矩不随迎角变化，10，CmF=Cm0迎角增加时，该点上升力变化，俯仰力矩不变（仅为了引出焦点的概念，不是真实的力矩系数）亚音速：M1.5,跨音速区焦点会移动，薄翼型的焦点移动比较规律，超音速飞机常用,（2）三维机翼的气动力矩,三维机翼：机翼展长取CA平均气动弦三维机翼的焦点：亚音速：大后掠角、小展弦比等因泰对焦点位置有较大影响三维机翼的俯仰力矩：由焦点得出设飞机质心与平均气动弦前缘点的距离为Xc.g.令：对质心的力矩系数为由于焦点到前缘的距离与质心到前缘的距离都是常值所以俯仰力矩系数可用线性描述质心在焦点之前，迎角，升力增量作用在焦点上,产生低头力矩M0,使迎角继续，不稳定作用焦点位置决定了飞机的静稳定性飞机俯仰力矩俯仰力矩系数Cm1，负的Cm将产生低头力矩，使自动减小到1上。反之，在0，则平尾有向下的运动速度，相当于平尾不动而空气气流向上吹，气流速度产生局部的迎角增量t，升力增量LtLt对质心取矩：Mt=-ltLt=CMtQSwcA力矩导数由飞机转动引起，其作用方向总是阻止飞机转动，故称为阻尼力矩，平尾阻尼力矩最大，经验全机,4.下洗时差阻尼力矩,飞机迎角的变化率不为0时（非定直平飞情况），机翼上的升力也不恒定，因而对