空气动力学课件

2.4.5地面效应

飞机在起飞和着陆贴近地面时，由于流过飞机的气流受地面的影响，使飞机的空气动力和力矩发生变化。这种效应称为地面效应。地面效应的产生原因1、上下翼面压差增加2、地面阻碍使下洗流减小3、下洗角减小，使平尾迎角减小飞机脱离地面效应区飞机处于地面效应区地面效应的效果1、上下翼面压差增加，从而使升力系数增加。2、地面阻碍使下洗流减小，使诱导阻力减小，阻力系数减小。3、下洗角减小，使平尾迎角减小，出现附加下俯力矩（低头力矩）。

2.4.4飞机的极曲线

极曲线将飞机的升力系数、阻力系数、升阻比随迎角变化的关系综合起来用一条曲线表示出来，以便于综合衡量飞机的空气动力性能。.2.6.7高速飞机气动外形的特点●对称气流经过直机翼时的M数变化

气流经过直机翼后,马赫数M会增加。1、亚音速下对称气流流经后掠翼●亚音速下对称气流流经后掠翼

对称气流经过后掠翼,可以将气流速度分解到垂直于机翼前缘和平行于机翼前缘。

在气流向后的流动过程中，平行于前缘的气流分速不发生变化，而垂直于前缘的有效分速则发生先减速、后加速、再减速的变化，导致总的气流方向发生左右偏斜。●后掠翼的翼根效应和翼尖效应

后掠翼的升力大小由垂直于前缘的有效分速所决定。翼根效应

亚音速气流条件下，上翼面前段流管扩张变粗,流速减慢，压强升高，吸力降低；后段流管收缩变细,流速加快，压强减小,吸力有所增加。流管最细的位置后移，最低压力点向后移动。翼尖效应

亚音速气流条件下，上翼面前段流管收缩变细，流速加快，压强降低，吸力变大；在后段，流管扩张，流速减慢，压强升高，吸力减小。流管最细位置前移，最低压力点向前移动。

气流流过后掠翼时，流线左右偏移的分析后掠翼的翼根和翼尖效应对升力的影响

翼根效应使翼根部位机翼的吸力峰减弱，升力降低，翼尖效应使翼尖部位的吸力峰增强，升力增加。2、中小迎角下后掠翼的亚音速升阻力特性

同一迎角下,后掠翼的升力系数和升力线斜率比平直翼小。后掠翼对升力系数和升力线斜率的影响3、后掠翼在大迎角下的失速特性原因：①翼根效应和翼尖效应，使机翼上表面翼根部位压力大于翼尖部位压力，压力差促使气流展向流动，使附面层在翼尖部位变厚，容易产生气流分离。②翼尖效应使翼尖部位上表面吸力峰增强，逆压梯度增加，容易气流分离。翼尖先失速2.6高速飞行的特点2.5.1后缘襟翼1、简单襟翼（ThePlainFlap）2、分裂襟翼（TheSplitFlap）3、开缝襟翼（TheSlottedFlap）4、后退襟翼（TheFowlerFlap）5、后退开缝襟翼（TheSlottedFowlerFlap）

放下后缘襟翼，使升力系数和阻力系数同时增大。因此，在起飞时放小角度襟翼，着陆时，放大角度襟翼。增升效果增强2.3机体几何外形和参数2.3.1机翼的几何外形和参数

飞机由机身、机翼和尾翼等主要部件的外形共同来组成。机翼是飞机产生升力和阻力的主要部件。机翼的几何外形分为机翼平面几何形状和翼剖面几何形状。机翼的平面形状五花八门，有梯形的，有矩形的，还有三角形、椭圆形等等，甚至有许多稀奇古怪的。但总的说来，按平面形状大致可以将机翼分为平直翼、后掠翼、前掠翼、小展弦比机翼四大类。151、机翼翼型

翼展长b机翼左右翼梢之间最大的横向距外露根弦长c0；翼梢弦长c1前缘后掠角=0毛机翼根弦长c=0沿前缘与后缘线作延长线与机身中心线相交所得的长度162、翼型平面形状和参数翼型：沿平行于飞机对称平面的切平面切割机翼所得到的剖面。17翼型大致分为以下几种(见图)：弓形、平凸形、双凸形、对称形、超临界翼型、尖峰翼型、双弧形和菱形翼形。18翼型的几何形状分为两大类：圆头尖尾翼型；尖头尖尾翼型。在每类翼型中又分对称翼型和非对称翼型。飞机上采用的绝大多数为圆头尖尾翼型。19前缘：最前端的点后缘：最后端的点翼弦：前缘和后缘之间的连线图（a）有厚度的对称翼型图（b）有厚度的非对称翼型20机翼平面形状图（a）矩形翼（b）椭圆翼（c）梯形翼(d)后掠翼(e)三角翼(f)双三角翼(g)S形前缘翼(h)边条翼(i)变后掠翼212.5机翼表面结冰对飞机飞行性能的影响结冰---改变翼型--加大迎风面积--阻力增加结冰---改变翼型--加大迎风面积-升力减小结冰---改变翼型--加大迎风面积-影响稳定性操纵性迎角与速度的关系速度迎角

飞机的升力主要随飞行速度和迎角变化。在大速度飞行时，只要求较小迎角，机翼就可以产生足够的升力维持飞行。在小速度飞行时，则要求较大的迎角，机翼才能产生足够的升力来维持飞行。为什么要使用增升装置

增升装置用于增大飞机的最大升力系数，从而缩短飞机在起飞着陆阶段的地面滑跑距离。主要增升装置包括：1、后缘襟翼2、前缘襟翼3、前缘缝翼2.4.6机翼压力中心和焦点1、定义：压力中心--作用于机翼上的气动力合力的作用点。焦点--机翼迎角变化时，机翼起动升力增量的作用点。升力系数随迎角的变化规律当α<α临界，升力系数随迎角增大而增大。当α=α临界，升力系数为最大。当α>α临界，升力系数随迎角的增大而减小，进入失速区。压力中心（CP）位置随迎角改变的变化当α<α临界，α↑——CL↑、压力中心前移当α=α临界，CL最大。当α>α临界，α↑——CL↓、压力中心后移阻力系数随迎角的变化规律在中小迎角范围，阻力系数随迎角增大而缓慢增大，飞机阻力主要为摩擦阻力。在迎角较大时，阻力系数随迎角增大而较快增大，飞机阻力主要为诱导阻力。在接近或超过临近迎角时，阻力系数随迎角的增大而急剧增大，飞机阻力主要为压差阻力。2.6.3激波、波阻和膨胀波波阻就是正迎角时，在跨音速阶段翼型产生的附加吸力向后倾斜从而在速度方向所附加产生的阻力。波阻的产生2.6.1空气的压缩性和飞行马赫数

空气的压缩性是空气的压力、温度等条件改变而引起密度变化的属性。

马赫数M=V/a

低速飞行(马赫数M<0.4)

空气密度基本不随速度而变化高速飞行(马赫数M>0.4)

空气密度随速度增加而减小1、空气压缩性与音速的关系

扰动在空气中的传播速度就是音速。●音速的定义2、空气压缩性与马赫数M的关系M数越大，空气被压缩得越厉害。

马赫数M是真速与音速之比。分为飞行马赫数和局部马赫数，前者是飞行真速与飞行高度音速之比，后者是局部真速与局部音速之比（如翼型上表面某点的局部马赫数）。

低速飞行(马赫数M<0.4)

可忽略压缩性的影响高速飞行(马赫数M>0.4)

必须考虑空气压缩性的影响

因此，M>1时，流管扩张，流速增加，流管收缩，流速减小。

在超音速时，密度的减小量大于速度的增加量，故加速时要求截面积增大。由连续性定理，在同一流管内速度增加，空气密度减小。3、气流速度与流管截面积的关系在超音速气流中,流管截面积随流速的变化2.4

作用在飞机上的空气动力2.4.1空气动力、升力和阻力

从空气流过机翼的流线谱可以看出：相对气流流过机翼时，分成上下两股，分别沿机翼上表面流过，而在机翼的后缘重新汇合向后流去。因机翼表面突起的影响，上表面流线密集，流管细，其气流流速快、压力小；而下表面流线较稀疏，流管粗，其气流流速慢，压力较大。因此，产生了上下压力差。这个压力差就是空气动力(R)，它垂直流速方向的分力就是升力(Y)。升力维持飞机在空中飞行。机翼升力的着力点，即升力作用线与翼弦的交点叫压力中心。352.6.4临界马赫数和临界速度

机翼上表面流速大于飞行速度，因此当飞行M数小于1时，机翼上表面最低压力点的速度就已达到了该点的局部音速(此点称为等音速点)。此时的飞行M数称为临界马赫数MCRIT

。

跨音速是指飞行速度没达到音速，但机翼表面局部已经出现超音速气流并伴随有激波的产生。1、临界马赫数MCRITMCRIT是机翼空气动力即将发生显著变化的标志。●局部激波的形成与发展大于MCRIT后，上表面先产生激波。随M数增加，上表面超音速区扩展，激波后移。M数继续增加，下表面产生激波，并较上表面先移至后缘。M数接近1,上下表面激波相继移至后缘。M数大于1,出现头部激波。第2章空气动力学2.1.1相对运动原理

382.1流体流动的基本概念相对运动原理：作用在飞机上的空气动力取决于飞机和空气之间的相对运动情况，与选用的参考坐标无关。依据这个原理，建立风洞。相对运动：相对运动指某一物体对另一物体而言的相对位置的连续变动，即此物体相对于固定在第二物体上的参考系的运动。牛顿运动定律只适用于惯性参考系。在进行空气动力学研究时，将大量的、单个分子组成的大气看成是连续的介质,没有任何间隙。392.1.2连续性假设空气流过飞机表面，与飞机之间产生相互作用的是无数分子共同作用的结果

流场：流体流动所占据的空间称为流场。402.1.3流场、定常流和非定常流

定常流：流场中的参数（V、P、T、ρ）不随时间变化。

非定常流：流场中的参数（V、P、T、ρ）随时间变化。流线：分布在流场中的许多假想曲线，曲线上每一点的切线方向和流体质量元流经该点时的速度方向一致。412.1.4流线、流线谱、流管和流量流线谱：在流场中，用流线组成的描绘流体流动情况的图画称为流线谱。流管：由一组流线围成的管状区域称为流管。流速大体积流量：由单位时间流过截面A的流体体积叫体积流量。Av质量流量：由单位时间流过截面A的流体质量叫体积流量。质量流量公式：qm=ρAv单位：kg/s第2章空气动力学2.2.1连续方程422.2流体流动的基本规律

描述了定常流动的流体任一流管中流体元在不同截面处的流速与截面积

的关系。流量一定，流速快则截面积减小；流速慢则截面积增大。S1S2v1v2Δt气流在流管中截面积随流速的变化2.2.2

伯努利方程由能量守恒定理描述流体流速与压强之间的关系。流管中，流入流出两端面的能量差等于流体功的增加量。能量守恒（不可压）→伯努利方程静压（P）+动压（）=总压=常数速度越大，动压也大，静压越小速度越小，动压也小，静压越大4344流体在变截面管道中流动：凡是截面积小的地方，流速就大，压强就小；凡是截面积大的地方，流速就小，压强就大。452.3机体几何外形和参数2.3.1机翼的几何外形和参数

飞机由机身、机翼和尾翼等主要部件的外形共同来组成。机翼是飞机产生升力和阻力的主要部件。机翼的几何外形分为机翼平面几何形状和翼剖面几何形状。机翼的平面形状五花八门，有梯形的，有矩形的，还有三角形、椭圆形等等，甚至有许多稀奇古怪的。但总的说来，按平面形状大致可以将机翼分为平直翼、后掠翼、前掠翼、小展弦比机翼四大类。46流体在变截面管道中流动：凡是截面积小的地方，流速就大，压强就小；凡是截面积大的地方，流速就小，压强就大。472.6.2气流流动的加速、减速特性

机翼上表面流速大于飞行速度，因此当飞行M数小于1时，机翼上表面最低压力点的速度就已达到了该点的局部音速(此点称为等音速点)。此时的飞行M数称为临界马赫数MCRIT

。

跨音速是指飞行速度没达到音速，但机翼表面局部已经出现超音速气流并伴随有激波的产生。1、临界马赫数MCRITMCRIT是机翼空气动力即将发生显著变化的标志。局部激波的形成与发展大于MCRIT后，上表面先产生激波。随M数增加，上表面超音速区扩展，激波后移。M数继续增加，下表面产生激波，并较上表面先移至后缘。M数接近1,上下表面激波相继移至后缘。M数大于1,出现头部激波。●激波实例●激波实例3、翼型的跨音速升力特性

考虑空气压缩性，上表面密度下降更多，产生附加吸力,升力系数CL增加，且由于出现超音速区，压力更小，附加吸力更大；下翼面出现超音速区，且后移较上翼面快，下翼面产生较大附加吸力，CL减小；下翼面扩大到后缘，而上翼面超音速区还能后缘，上下翼面的附加压力差增大，CL增加。升力系数随飞行Ｍ数的变化临界M数，机翼上表面达到音速下表面达到音速下表面激波移至后缘上表面激波移至后缘2.5.3前缘缝翼

前缘缝翼位于机翼前缘，在大迎角下打开前缘缝翼，可以延缓上表面的气流分离，从而使最大升力系数和临界迎角增大。在中小迎角下打开前缘缝翼，会导致机翼升力性能变差。前缘缝翼

下翼面高压气流流过缝隙，贴近上翼面流动。一方面降低逆压梯度，延缓气流分离，增大最大升力系数和临界迎角。另一方面，减小了上下翼面的压强差，减小升力系数。增升装置增升原理总结

增升装置主要是通过三个方面实现增升：1、增大翼型的弯度，提高上下翼面压强差。2、延缓上表面气流分离，提高临界迎角和最大升力系数。3、增大机翼面积。增升装置的目的是增大最大升力系数。2.5.2前缘襟翼

前缘襟翼位于机翼前缘。前缘襟翼放下后能延缓上表面气流分离，能增加翼型弯度，使最大升力系数和临界迎角得到提高。前缘襟翼广泛应用于高亚音速飞机和超音速飞机。2.4

作用在飞机上的空气动力2.4.2升力的产生

机翼升力的着力点，即升力作用线与翼弦的交点叫压力中心。571、压力实验：

在风洞中放入一段机翼模型，在机翼表面（沿气流方向）上、下各点钻一些小孔，用橡皮软管分别连到多管压力计上。582.机翼表面的压力分布机翼表面上各点的压力大小，用箭头长短表示，凡是箭头方向朝外，表示比大气压力低的吸力（负压力）；凡是箭头方向指向机翼表面的，表示比大气压力高的正压。从图可以看出，由于机翼上表面的压力所形成的升力在总升力中占60-80%，而下表面的压力所形成的升力，只占总升力的20-40%。所以不能认为：飞机被支托在空中，主要是空气从机翼下面冲击机翼的结果。

B点最低压力点；A点压力最大，位于前缘，流速为0，动压全部变成静压，叫驻点。593.机翼的迎角迎角：翼弦与相对气流速度之间的夹角。60相对气流方向指向机翼下表面，为正迎角；相对气流方向指向机翼上表面，为负迎角；相对气流方向与翼弦重合，迎角为零。612.4.5升力和阻力一、升力和阻力是飞机在空气之间的相对运动（相对气流）中产生的。影响升力和阻力的基本因素有：机翼在气流中的相对位置（迎角）、气流的速度和空气密度以及飞机本身的特点（飞机表面质量、机翼形状、机翼面积、是否使用襟翼和前缘翼缝是否张开等）。62二、迎角对升力的影响在飞行速度等其它条件相同的情况下，得到最大升力的迎角，叫做临界迎角。在小于临界迎角的范围内增大迎角，升力增大；超过临界边角后，再增大迎角，升力反而减小。随迎角增大，升力增大失速：迎角增大到一定，翼面气流出现分离，升力突然下降，阻力突然增大，速度减小63三、迎角改变对机翼阻力的影响低速飞行时包括：摩擦阻力、压差阻力和诱导阻力。迎角增大，摩擦阻力变化不大、压差阻力增大、诱导阻力增大、升力降低，诱导阻力减小。总体上，迎角增大，阻力增大；迎角越大，阻力增加越多；超过临界迎角，阻力急剧增大。简单说：迎角增大，阻力增大；迎角越大，阻力增加越多；超过临界迎角，阻力急剧增大。64四、空气密度对机翼阻力的影响

空气密度大，空气动力大，升力和阻力自然也大。

实验证实，空气密度增大为原来的两倍，升力和阻力也增大为原来的两倍。即升力和阻力与空气密度成正比例。显然，由于高度升高，空气密度减小，升力和阻力也就会减小。

65五、飞机表面光滑度对机翼阻力的影响

飞机表面光滑与否对摩擦阻力影响很大。飞机表面越粗糙，附面层越厚，转捩点越靠前，层流段缩短，紊流段增长，粘性摩擦加剧，摩擦阻力越大。因此保持好飞机表面光滑，就能减小飞机阻力。（举例：所以在工作中上下飞机，必须放脚踏布，保护好蒙皮）。

飞机的阻力对于提高飞机的飞行性能是不利的。因此，在飞机的设计制造和使用维护中，应想方设法减小飞机的阻力。66