第二章-航空飞行器基本飞行原理-第一节-飞行环境概述

第二章 航空飞行器基本飞行原理第一节 飞行环境概述第二节 流动流体的基本规律（2课时）飞行环境（20 min.）飞行器飞行时所处的环境条件，称为飞行环境。飞行环境对飞行器的飞行轨迹、结构、元件、材料、飞行性能以及作战效率等都有十分明显的影响。只有熟悉环境，利用环境，并设法克服或减小飞行环境的不利影响，才能保证飞行器飞行的准确性/可靠性。椭球体；自转；公转。垂直方向上特性变化显著以大气中温度随高度的分布为主要依据分层：1. 对流层空气的对流运动很明显，全部大气约3/4质量，几乎全部的水汽，天气变化最复杂，对飞行影响最重要。各种天气现象几乎都出现在这一层中，如雷暴、浓雾、低云幕、雨、雪、大气湍流、风切变等。2. 平流层气流比较平稳，垂直运动远比对流层弱，能见度较佳平流层的下部同温层3. 中间层从平流层顶（大约5055km）伸展到80km高度。特点：气温随高度增加而下降，空气有相当强烈的垂直运动。在这一层的顶部气温可低至160190K。4. 热层从中间层顶伸展到约800km高度。空气密度很小，声波也难以传播。气温随高度增加而上升。另一个重要特征是空气处于高度电离状态。（极光。影响无线电通信。）5. 散逸层又称逃逸层、外大气层。是地球大气的最外层，位于热层之上。空气极其稀薄；远离地面，受地球的引力作用较小，大气分子不断地向星际空间逃逸。航天器脱离这一层后便进入太空飞行。原因：大气的密度、温度、压强等项参数随着地理位置、离地面的高度和季节等变化。同一架飞机在不同地点或不同时间飞行，所显示的飞行性能是不一样的。为了适应飞行器设计、试验和分析的需要，由国际权威性机构组织颁布了一种“模式大气”，它依据实测资料，用简化方式近似地表示大气温度、压力和密度等参数的平均值，这就是国际标准大气。主要内容：(1) 基本假设：大气静止，空气是干燥洁净的理想气体。(2) 海平面大气物理属性等主要参数：海平面温度t015；海平面绝对温度T0288.15 K；海平面空气密度01.225 kg/m3；海平面空气压力p0 Pa；海平面音速a0340.294 m/s；标准重力加速度g09.80665 m/s2；干燥空气的气体常数R287.05278 J/(kgK)。(3) 大气温度随高度变化的计算公式。(4) 大气压力随高度变化的计算公式。(5) 空气密度随高度变化的计算公式。此外，还有粘性系数、分子碰撞频率、分子量等。根据这些公式计算出来的数据排列成表即为国际标准大气。流体的基本规律（1.5学时，70 min.）基于相对性原理建立简化研究工作（例如：机在空中等速平飞时，可认为飞机是静止的，周围的空气相对其运动；风洞试验时，模型固定不动，让气流吹过）限制：等速直线运动（不改变惯性坐标系）将空气看作连续介质。空气分子的自由行程大约为610-6cm。飞行器的外形尺寸远远大于空气分子的自由行程，故在研究飞行器和大气之间的相对运动时，空气分子之间的距离完全可以忽略不计，即把空气看成是连续的介质。这就是空气动力学研究中常说的连续性假设。随着海拔高度的增加，空气密度变小，空气分子的自由行程越来越大。当飞行器在40km以下高度飞行时，可以认为是在稠密大气层内飞行，这时空气可看成连续的。在120150km高度上，空气分子的自由行程大约与飞行器的外形尺寸在同一个量级范围之内；在200km高度以上，气体分子的自由行程有好几千米。在这种情况下，大气就不能看成是连续介质了。大气的状态参数：密度（kg/m3）、 温度T（K）、 压强p （Pa）。状态方程： 式中R 气体常数，空气为287.05287 J/(kgK)。空气的物理性质：(i) 粘性空气自身相互粘滞或牵扯的特性。本质上，粘性是流体内相邻两层间的内摩擦。粘性主要是由于气体分子作不规则运动的结果。和温度有关，温度高，空气分子的不规则运动加剧，空气的粘性大，反之就小（与液体相反）。 (ii) 压缩性在压力 (压强)的作用下或温度改变的情况下，空气改变自己的密度和体积的一种特性。低速时(Ma0.3)，可以认为空气是不可压缩的。音波与音速：音波-疏密波(压缩波、膨胀波相间)音波对流体来说是一种扰动，这种振动引起流体压强变化很微弱，是一种弱扰动。音速（声速）-音波在流体中传播速度。水中：1440 m/s；海平面标准大气状态下空气中：340 m/s；12km高空标准大气状态下空气中：295 m/s。流体的可压缩性越大，音速越小；而流体的可压缩性越小，音速越大；在不可压缩流体中，音速将趋于无穷大。即音速a可以作为压缩性的指标。理论上推知，在绝热过程中，大气中的音速为 T是空气的热力学温度。随着飞行高度的增加，空气的温度是变化的，音速a也将随之变化，空气的压缩性也是变化的。马赫数M流场中某点的速度和该点的当地音速之比，称为马赫数，用符号M或Ma表示。即 M = v/a 其中v是飞行速度(或相对气流速度)，a是飞行高度上的当地音速。M数是空气密度变化程度或者压缩性大小的衡量标志M0.3的流动 低速流动，0.3M0.85 亚音速流动，0.85M1.3 跨音速流动，1.3M5 超音速流动；M5 高超音速流动。流场流体所占据的空间称为流场。大气层就是一个很大的流场。流体的流动参数（或运动参数）：用以表征流体特性的物理量如速度、温度、压强、密度等。定常流动与非定常流动流场中任一点的任一个流动参数（如速度、压强、密度等）随时间而变化的流动称为非定常流动。流场中任一固定点的所有流动参数都不随时间而变化的流动称为定常流动。有些非定常流动可以通过适当选择参考坐标系而变为定常流动，因而不能看成是真正的非定常流动。以飞机在静止空气中等速平飞的情况为例，在固连于地面的参考坐标系中，空气的流动是非定常流动；在固连于飞机的参考坐标系中，空气的流动是定常的。只有在飞机速度随时间而变化的情况下，对飞机的绕流才是真正的非定常流动。严格来讲，定常运动是不存在的。如果运动参数随时间变化十分缓慢，则至少在一段时间内可近似认为运动参数不变-“准定常运动”。流线：流场中某一瞬时的一族假想曲线，在任何一点的切线方向就是同一瞬时当地速度矢量的方向。特征：(i) 非定常流动时，由于流场中速度随时都在变，经过同一点的流线的空间方位和形状是随时间改变的。(ii) 定常流动时，由于流场中各点流速不随时间改变，所以同一点的流线始终保持不变，且流线与迹线(流场中流体质点在段时间内运动的轨迹线)重合。(iii) 流线不能相交，也不能折转。因为空间每一点只能有个速度方向，所以不能有两条流线同时通过同一点。但有3种情况例外：在速度为零的点上，通常称为驻点；在速度为无限大的点上，奇点；流线相切点。流谱（流线谱）：某一瞬时流场中许多流线的集合构成的流动图像流管流管是在流场中通过一封闭曲线上每一点的所有流线所形成的管，且每一条流线与该封闭曲线只有一个交点。在给定瞬时，流管中的流体就好像在一个固体管中流动一样，因为流线上的流体质点总是沿着流线的方向流动，它是不会穿过由流线形成的管壁的。在定常流动时，流管不随时间而变，在非定常流动的情况下，流管随时间而变。流束充满在流管内的流体，称为流束。低速流动的基本规律低速流动时，可以近似认为空气是不可压缩的，即密度保持不变。连续性定理质量守恒定律流管内 定常流动时，即： 对于不可压缩流动（低速时，气体的流动即是不可压缩流动），密度不变（）则有 或 伯努利定理不作推导，只给出伯努利定理的结论由伯努利定理可以推论出，不可压定常流动时，流速小的地方，压强大；而流速大的地方压强小。同连续性定理一样，伯努利定理的应用也是有条件的：(1) 理想流体（无粘）(2) 不可压缩流(3) 定常流动(4) 在所考虑的范围内，没有能量的交换(5) 在同一条流线上或同一根流管上。（没有物质交换）高速流动的基本规律与低速气流有质的差别，根本原因是空气具有压缩性。空气的压缩性与流速的关系高速飞行中，空气密度的变化很大，必须考虑空气压缩性的影响。不论是低速或高速飞行，空气流过飞机各处的速度和压力发生改变，都会引起空气密度的变化。（为什么要强调高速？）不同流动速度时，机翼前缘驻点(气流的速度等于零)空气密度增加的百分比。气流速度(km/h)20040060080010001200空气密度增加的百分比(/)1.3%5.3%12.2%22.3%45.8%56.5%弱扰动的传播，马赫锥4种情况：(i) 扰动源静止(v0) (ii) 扰动源亚音速运动(va）(iii) 扰动源以等音速运动(va) (iv) 超