第一章 大气物理学空气动力学

空气动力学 教学安排 开课学期3总学时数36学时适用专业飞机维修专业 ME AV 首选教材执照教材参考教材简明空气动力学 内部教材 空气与气体动力学引论李凤蔚西北工业大学出版社 课程大纲说明 本课程与其它课程的联系主要后续课程 发动机原理 构造与系统 飞机结构与系统课程的性质机务专业一门重要专业基础课 空气动力学基础 ME AV 第一章大气物理学第二章空气动力学第三章飞行理论第四章飞机的稳定性和操纵性 第一章大气物理学 1 1大气的重要物理参数1 2大气层的构造1 3国际标准大气 ISA 1 4气象对飞行活动的影响1 5大气状况对飞机机体腐蚀的影响 气体动力学的研究对象和研究方法 气体动力学是研究可压缩流体 特别是气体在流动过程中气体运动的基本规律以及气体与物体之间相互作用的一门科学 流体静力学流体力学可压缩流体力学流体动力学 气体动力学 不可压缩流体力学 空气流经飞机机身空气流过发动机的进气道空气流过桨叶 螺旋桨发动机 燃气流过尾喷管等力的作用热量的交换机械功的交换 燃气涡轮喷气发动机 气轮机 飞机加速通过音障 质量守恒牛顿第二定律热力学第一定律热力学第二定律研究方法分为 实验研究 理论研究和数值研究 1 1大气的重要物理参数 按体积计算 氮气78 氧气21 密度温度压力粘性压缩性湿度音速 1 1大气的重要物理参数 大气密度单位体积内空气质量 大气密度随高度的增加而减小 1 1大气的重要物理参数 大气温度温度高低表明空气分子不规则热运动平均速度的大小 在11km以下 随高度的增加气温下降 线性变化 摄氏温度 华氏温度和绝对温度 1 1大气的重要物理参数 Tc 摄氏温度Tf 华氏温度Tk 绝对温度 1 1大气的重要物理参数 大气压力大气层内空气的压强 即单位面积上承受的空气的垂直作用力 空气重力空气分子的热运动度量单位标准大气压101325Pa大气压随高度增大而减小 1 1大气的重要物理参数 粘性粘性是流体的固有属性之一 它与物体在介质中的运动密切相关 流体的粘性是指流体微团间发生相对滑移时产生切向阻力的性质 大气的粘性主要由于气体分子不规则运动造成的 粘性流体是不能承受剪切力的 即使在很小的剪切力作用下 流体会连续不断的变形 但是不同的流体在相同作用的剪切力下变形的速度是不同的 也就是不同的流体抵抗剪切力的能力不同 这种能力成为流体的粘性 1 1大气的重要物理参数 粘性力计算公式 表示横向速度梯度为1时 在流层单位接触面积上产生的粘性力 称为流体的粘度系数 动力粘度系数 单位是Pa S 1 1大气的重要物理参数 不同流体的粘性系数各不相同 同一流体的粘性系数也与温度有关 液体的粘性系数随温度的升高而降低气体的粘性系数随温度的升高而增大实际流体都是有粘性的 没有粘性的流体称为理想流体 牛顿内摩擦定律 至于粘性系数与温度的关系已被大量的实验所证明 液体的粘性系数随温度的增加而下降气体的粘性系数随温度而增加 这种截然相反的结果可用液体的微观结构去阐明 流体间摩擦的原因是分子间的内聚力 分子和壁面的附着力及分子不规则的热运动而引起的动量交换 使部分机械能变为热能 这几种原因对液体与气体的影响是不同的 因为液体分子间距增大 内聚力显著下降 而液体分子动量交换的增加又不足以补偿 故其粘性系数下降 对于气体则恰恰相反 其分子热运动对粘滞性的影响居主导地位 当温度增加时 分子热运动更为频繁 故气体粘性系数随温度而增加 1 1大气的重要物理参数 液体 气体 粘度系数随温度变化情况 温度升高 气体粘度系数增大 温度升高 液体粘度系数减小 1 1大气的重要物理参数 可压缩性流体在压强或温度改变时 能改变其原来体积及密度的特性 流体的可压缩性用单位压强所引起的体积变化率表示 即在相同压力变化量的作用下 密度 或体积 的变化量越大的物质 可压缩性就越大 空气的可压缩性如何体现 在低速飞行时忽略空气可压缩性的影响 Ma0 4 1 1大气的重要物理参数 湿度大气的潮湿程度 通常用相对湿度来表示 相对湿度指大气中所含水蒸汽的量与同温度下大气能含有的水蒸汽最大量之比 温度越高大气所能含有的水蒸汽最大量越大 露点温度 使大气的相对湿度达到100 时的温度 含有水蒸汽的空气比干空气密度小 1 1大气的重要物理参数 音速音速是小扰动在介质中的传播速度 米 秒 物体的振动在介质中引起的小扰动会以介质不断被压缩 膨胀的形式向四周传播 形成介质疏密交替变化的小扰动波 音速与传播介质的可压缩性有关 把音速的大小看成是表示介质压缩性大小的一个指标 在同一种介质中 音速的大小只随介质的温度而变化 空气中的音速计算公式 为气体常数 287J Kg K 1 2大气层的构造 地球大气层对流层 变温层 平流层 同温层 中间层电离层 热层 散逸层 对流层 变温层 的特点 对流层的平均高度在地球中纬度地区约11公里 在赤道约17公里 在两极约8公里 在对流层内几乎包含了全部大气质量的四分之三 大气中含有大量的水蒸气及其它微粒 所以云 雨 雪 雹及暴风等气象变化也仅仅产生在对流层中 对流层内不仅有空气的水平流动 还有垂直流动 形成水平方向和垂直方向的突风 对流层内的空气温度 密度和气压随着高度的增加而下降 0 11km 平流层 同温层 的特点 从对流层顶起到离地面约50公里之间称为平流层 该层下半部 大约20km以下 的空气温度几乎不变 在同一纬度处可以近似看作常数 常年平均值为摄氏零下56 5度 所以又称为同温层 同温层之上随着高度的增加 温度逐步升高 直到顶部温度升高到00C左右 在平流层中 空气只有水平方向的流动 空气稀薄 几乎没有水蒸汽 故没有雷雨等现象 故得名为平流层 空气质量占整个大气的四分之一不到 大气能见度好 气流平稳 空气阻力小 对飞行有利 现代喷气式客机多在11 12km的平流层底层 巡航 飞行 11km 20km 水平风 水平风 零度 同温层 中间层 电离层的特点 中间层的特点中间层从离地面50公里到80公里为止 空气十分稀薄 温度随高度增加而下降 空气在垂直方向有强烈的运动 电离层 热层 的特点中间层以上到离地面800公里左右就是电离层 空气处于高度的电离状态 带有很强的导电性 能吸收 反射和折射无线电波 空气温度很高 并随着高度的增加而上升 所以又称为热层 空气密度极小 声音已无法传播 散逸层大气层的最外层 地心引力小 大气分子散逸于太空中 1 3国际标准大气 ISA 国际标准大气是由国际民航组织 ICAO 制定的 它是以北半球中纬度地区大气物理性质的平均值为依据 加以适当的修正建立的 国际标准大气具有以下的规定 大气是静止的 相对湿度为零的 洁净的完全气体 即服从状态方程 以海平面作为高度计算的起点 即H 0 并且在该处大气温度288 15K 或15 大气压强1 01325 105帕大气密度1 225千克 米3声速340 29m s 国际标准大气表 国际标准大气的应用 设计飞机时应该按此标准计算飞机的飞行性能 飞机试飞结果也应该换算成标准大气条件下的结果 以便分析和比较 飞机飞行手册中列出的飞行性能数据是在国际标准大气条件下得出的 要得出实际大气情况下飞机的飞行性能必须根据实际大气情况对性能数据进行修正 这种换算的主要工作是要确定实际大气和国际标准大气的温度偏差 ISA偏差 1 4气象对飞行活动的影响 阵风对飞机飞行的影响大气层中空气短时间强烈对流产生的扰动称为阵风 阵风会随时改变飞机相对气流的速度和迎角水平阵风 侧向阵风 垂直阵风 水平阵风 只改变相对气流的速度对飞行所影响较小 垂直阵风 既改变相对气流的速度又改变飞机的迎角 垂直阵风由下向上吹来 速度增加 迎角增大 升力增大 瞬间飞机承受较大载荷 飞机产生向上曲线运动 机头上仰 阵风消失后 飞机恢复原飞行姿态 垂直阵风由上向下吹来 速度减少 迎角减小 升力减小 瞬间飞机承受较小载荷 甚至向下的载荷 飞机产生向下曲线运动 机头下俯 颠簸的产生 飞机迎角的改变对飞机升力的影响较大 可能导致 1 颠簸2 受载过大 高速飞行 小迎角状态 遇到垂直向上突风时应使飞机减速 加大迎角 避免产生过大的气动载荷 3 飞机失速 低速飞行 大迎角状态 遇到垂直向上突风时应使飞机速度提高 减小迎角 避免飞机大迎角失速 侧向阵风 从飞机侧向吹来的阵风 引起飞机摇晃 摆头等 但对飞行影响不大 如果飞机飞行速度很大 垂直阵风对飞机飞行速度影响引起的升力变化非常小 垂直阵风改变飞机相对气流的迎角引起的升力变化很大 飞机稳态飞行 有利迎角为40C 在垂直阵风速度达到飞机飞行速度的1 10时 引起的迎角增量可达50C 引起的气动升力变化可观 相同风速下 垂直阵风对飞机飞行造成的影响比水平阵风严重 1 4气象对飞行活动的影响 稳定风场的影响 主要影响飞机的起飞和着陆1 逆风起飞和着陆 以减小起飞和着陆速度及滑跑距离 逆风起飞 飞机起飞滑跑距离较短即可达到要求的空速 获取升力 使飞机离地 逆风着陆 使飞机保持一定的空速 获得所需要的升力下 以最小的着地速度着陆 并可增加阻力 减少滑跑距离 2 侧风起飞后应进行航向修正 侧风着陆前应进行侧滑修正侧风在飞机起飞或者着陆时 在飞机上产生侧向载荷 带着飞机漂移 使飞机偏离航道 危机飞行安全 飞机采用改变航向的办法进行修正 驾驶员操纵副翼和方向舵 组织飞机漂移 使飞机航迹对准跑道 超过一定的侧向风速 飞机进行侧滑着陆不能保证安全 3 低空风切变对飞行的影响风切变定义 风向和风速在特定方向上发生变化飞机由小顺风区到大顺风区域逆风区到顺风区某一方向的顺风区到另一方向的顺风区较短距离的升降气流变化等对正在起飞和着陆过程的飞机的安全性具有严重影响 尤其是对正在着陆的的飞机危害最大 1 4气象对飞行活动的影响 云对飞行的影响1 影响视线 2 飞机穿过积雨云可能受到闪电 冰雹的袭击或遇到强烈风切变 3 飞机穿过零度以下低温云层时 在飞机表面可能结冰 1 5大气状况对飞机机体腐蚀的影响 大气湿度 大气湿度对金属在大气中的腐蚀有着重要的影响 临界湿度 在大气中使金属的腐蚀速度急剧增大对应的大气的相对湿度 不同金属有不同的临界相对湿度 影响临界湿度的因素 机体构件的材料性质 污染物的性质和数量 金属表面的粗糙 裂纹状态等 大气的温度和温差温差影响比温度影响大 温差影响水分的凝聚 影响气膜的气体和盐类的溶解度 一般随温度的升高 腐蚀加快 1 5大气状