第三章-作用在飞机上的空气动力

飞行器空气动力学,上海交通大学航空航天学院,第三章作用在飞机上的空气动力,目录第一节飞机各部件及其功用第二节平板上的空气动力第三节机翼升力的产生第四节机翼阻力的产生第五节高速飞行的特点第六节机翼的几何外形,1.飞机的各个部件,3.1飞机各部件及其功用,机翼尾翼舵面机身起落架动力系统操纵系统机载设备,产生升力稳定和操纵升降舵、方向舵、副翼、扰流片装载、连接其他部件起降滑跑、地面支撑产生推力。包括发动机及其附件系统。操纵飞机。飞行仪表、通讯、导航、环境控制、生命保障、能源供给等等。,2.飞机各部件的功能,3.1飞机各部件及其功用,升力更大的重量阻力更小发动机功率,问题：如何增大升力、减小阻力,3.飞机上的空气动力,3.1飞机各部件及其功用,平板剖面与相对速度成一定角度当平板剖面与相对速度成一定夹角时，气流沿平板的流动变得上下不对称了。当气流流到平板剖面的前面时，受到剖面的阻拦，速度降低。压强增大，气流分成上下两股绕剖面向后流动，并在平板后面形成低压，产生气流分离，平板前后形成了压强差，再考虑到空气与平板之间产生的摩擦力，就形成了总的空气动力。,3.2平板上的空气动力,（1）平板剖面与相对速度夹角为零气流对称地流过平板上下剖面，所以不会产生垂直于气流方向的力，即升力。（2）平板剖面与相对速度夹角为90当平板剖面与相对速度夹角为90时，平板前、后产生了一个压强差，形成了一个很强的“压差阻力”。这个空气动力是阻止平板向前运动的，因此全部都是阻力。因此，也不会产生垂直于气流方向的力，即升力。,3.2平板上的空气动力,当气流流到翼型的前缘时，气流分成上下两股分别流经翼型的上下翼面。由于翼型的作用，当气流流过上翼面时流动通道变窄，气流速度增大，压强降低，并低于前方气流的大气压；而气流流过下翼面时，由于翼型前端上仰，气流受到阻拦，且流动通道扩大，气流速度减小，压强增大，并高于前方气流的大气压。因此，在上下翼面之间就形成了一个压强差，从而产生了一个向上的升力Y。,3.3机翼升力的产生,3.3机翼升力的产生,气流翼型上表面流线变密流管变细下表面平坦流线变化不大(与远前方流线相比)连续性定理、伯努利定理翼型的上表面流管变细流管截面积减小气流速度增大故压强减小翼型的下表面流管变化不大压强基本不变上下表面产生了压强差总空气动力RR的方向向后向上分力：升力L、阻力D,影响飞机升力的因素(1)机翼面积的影响(2)相对速度的影响(3)空气密度的影响(4)机翼剖面形状的影响(5)迎角的影响,3.3机翼升力的产生,迎角（AngleofAttack,AOA）：相对气流方向与翼弦之间的夹角,不同于飞机的姿态,3.3机翼升力的产生,不同迎角对应的压力分布,3.3机翼升力的产生,1.Cy=0的迎角(用0表示)一般为负值(04)；2.Cy-曲线在一个较大的范围内是直线段；3.Cy有一个最大值Cymax，而在接近最大值Cymax前曲线上升的趋势就已减缓。,Cy-曲线的特点,3.3机翼升力的产生,弯度和迎角的作用,3.3机翼升力的产生,改变后缘弯度的作用,3.3机翼升力的产生,通常，机翼的升力与迎角成正比。迎角增加，升力随之增大(图1、图2)。但是，当迎角增大到某一值时，则会出现相反的情况，即迎角增加升力反而急剧下降。这个迎角就称为临界迎角。当机翼迎角超过临界点时，流经上翼面的气流会出现严重分离，形成大量涡流，升力大幅下降，阻力急剧增加。飞机减速并抖动，各操纵面传到杆、舵上的外力变轻，随后飞机下坠，机头下俯，这种现象称为失速。,失速,3.3机翼升力的产生,（1）摩擦阻力摩擦阻力是由于大气的粘性而产生的。摩擦阻力的大小，取决于空气的粘性、飞机表面的状况、附面层中气流的流动情况和同气流接触的飞机表面积的大小。,3.4机翼阻力的产生,由空气的粘性造成附面层(层流附面层紊流附面层)层流流动，摩擦阻力小；紊流流动，摩擦阻力大的多-尽量使物体表面的流动保持层流状态,（2）压差阻力翼型前后的压强差形成的阻力。压差阻力与物体的迎风面积有很大关系，物体的迎风面积越大，压差阻力也越大。物体的形状对压差阻力也有很大影响。,3.4机翼阻力的产生,运动着的物体前后所形成的压强差所产生的同物体的迎风面积、形状和在气流中的位置都有很大的关系,摩擦阻力和压差阻力合起来叫做“迎面阻力”一个物体究竟哪种阻力占主要部分，主要取决于物体的形状流线体，迎面阻力中主要是摩擦阻力。远离流线体的式样，压差阻力占主要部分，摩擦阻力则居次要位置，且总的迎面阻力也较大。,3.4机翼阻力的产生,上翼面压强低，下翼面压强高-压差-漩涡-下洗,3.4机翼阻力的产生,机翼的三维效应,（3）诱导阻力由于气流下洗流的影响产生的附加的阻力就是“诱导阻力”。诱导阻力是伴随着升力而产生的，如果没有升力，诱导阻力也就等于零。因此，这个由升力诱导而产生的阻力叫“诱导阻力”，又叫“升致阻力”。,3.4机翼阻力的产生,翼尖涡使流过机翼的气流向下偏转一个角度（下洗）。升力与气流方向垂直（向后倾斜），产生了向后的分力（阻力）。诱导阻力同机翼的平面形状，翼剖面形状，展弦比，特别是同升力有关。,伴随升力而产生的,（4）干扰阻力干扰阻力就是飞机各部件组合到一起后由于气流的相互干扰而产生的一种额外阻力。,3.4机翼阻力的产生,气流流过翼-身连接处，由于部件形状的关系，形成了一个气流的通道。B处高压区形成气流阻塞，使气流开始分离，产生旋涡，能量消耗。和飞机不同部件之间的相对位置有关。,（1）波阻：由激波阻滞气流而产生的阻力叫做激波阻力，简称波阻。因为激波是一种强压缩波，当气流通过激波时产生的波阻也特别大。气流通过正激波时产生的波阻都要比通过斜激波时产生的波阻大。激波强度不同，产生的波阻也不一样。物体的形状对气流的阻滞作用越强，产生的激波越强，波阻就越大。,3.5高速飞行的特点,属于压差阻力,空气通过激波时，受到薄薄一层稠密空气的阻滞，使得气流速度急骤降低，由阻滞产生的热量来不及散布，于是加热了空气。加热所需的能量由消耗的动能而来。在这里，能量发生了转化-由动能变为热能。动能的消耗表示产生了一种特别的阻力。这一阻力由于随激波的形成而来，叫做波阻,亚音速，最大稀薄度靠前，压强分布沿着与飞行相反的方向上的合力，不是很大，即阻力不是很大。超音速情况下，最大稀薄度向后远远地移动到尾部，而且向后倾斜得很厉害，同时它的绝对值也有增加。因此，如果再考虑机翼头部压强的升高，那么压强分布沿与飞行相反方向的合力，急剧增大，使得整个机翼的总阻力相应有很大的增加。这附加部分的阻力就是波阻。,3.5高速飞行的特点,机翼上的压强分布,Ma=1正激波Ma1钝头：正激波尖头：斜激波,正激波的波阻大，空气被压缩很厉害，激波后的空气压强、温度和密度急剧上升，气流通过时，空气微团受到的阻滞强烈，速度大大降低，动能消耗很大，这表明产生的波阻很大。斜激波波阻较小，倾斜的越厉害，波阻就越小。,3.5高速飞行的特点,正激波和斜激波,（2）临界马赫数：气流以接近于声速的速度流过机翼，当机翼上流速最大点等于该点的声速时，飞机飞行速度就叫“临界速度”，“临界速度”对应的马赫数就叫临界马赫数。,3.5高速飞行的特点,上翼面流管收缩局部流速加快，大于远前方来流速度局部流速的加快局部温度降低局部音速下降当翼型上最大速度点的速度增加到等于当地音速时，远前方来流速度v就叫做翼型的临界速度（对应临界马赫数）。,（3）局部激波：当飞机的飞行速度超过临界马赫数时，机翼上就会出现“局部激波”。气流特性出现质的变化。所以，临界马赫数越高，说明飞机要到较高的临界马赫数时，机翼上才会出现局部超声速气流和局部激波。局部激波和波阻的产生，是出现“声障问题的根本原因。,3.5高速飞行的特点,当MMcr以后，在翼型上表面等音速点后面，由于翼型表面的连续外凸，流管扩张，空气膨胀加速，出现局部超音速区。,通常机翼上表面会首先达到当地音速，局部激波首先出现在上翼面。随着速度的增加，下翼面也会出现局部激波，而且当速度进一步增加时，机翼上下表面的局部激波还会向后移动，并且下翼面的局部激波的移动速度比上翼面的大，可能一直移到机翼后缘，同时激波的强度也将增大，激波阻力将增大。,3.5高速飞行的特点,局部激波,分为：机翼平面形状和翼剖面形状（翼型）机翼平面形状几何参数：翼展、翼弦、前缘后掠角等。,3.6机翼的几何形状,翼型,3.6机翼的几何形状,课后作业：1。推导准