空气动力与热工基础课件

空气动力与热工基础三角翼的空气动力特性介绍三角翼的亚音速跨音速和超音速空气动力特性三角翼的亚音速空气动力特性三角翼的亚音速、跨音速超音速空气动力特性对比2/58§2─3三角翼的空气动力特性

三角翼飞机最早出现于上世纪五十年代。三角翼,顾名思义,其平面形状呈三角形,也可以说是后缘平直的后掠翼。三角翼的展弦比(λ)与前缘后掠角()之间,有下式关系:

比如,则λ=2.31;则后掠角大于60°,展弦比小于2.31,前缘尖锐或比较尖锐的三角翼,称为细长三角翼或小展弦比三角翼。三角翼和后掠翼一样,以其大后掠角,而具有良好的超音速气动特性。而且机翼刚度比后掠翼更强,适用于超音速飞行。但亚音速飞行,由于展弦比小,其气动特性较差。

一、三角翼的亚音速空气动力特性细长三角翼在小迎角(比如)下,或前缘比较圆钝的三角翼在小迎角下,一部分空气从下表面绕过前缘(或是侧缘)而迅速分离。这种分离,并不象低速飞机那样,招致升力下降、阻力增大,而是部分弥补了三角翼亚音速气动特性的不足。气流从后掠角很大的前缘分离,随即卷起涡面形成螺旋形稳定的脱体涡,向后流去,如图3─2─30所示。脱体涡是从前缘发出的,所以也称前缘涡。脱体涡接着重新附着于上表面,产生向外的侧向流动,并在接近机翼后缘的地方脱离机翼,形成尾涡,沿下洗流方向流去。上表面流谱如图3─2─30所示,在小迎角下,气流仅在一部分前缘产生分离,O点为涡面从前缘开始分离的点,OA为脱体涡重新附着于上表面的迹线,OB为脱体涡从上表面重新分离的迹线。这样,在上表面,有两种气流。在脱体涡附着线OA内侧,是附着流,气流基本上平行于远前方来流方向。在附着线OA外侧,OB线内侧这一区域,是脱体涡流,气流向外偏斜,强烈加速。随着迎角增大,分离点逐渐向前移动;脱体涡增强,附着线OA也跟着迅速向内侧移动。OB线也同时向内侧移动,但移动较慢。即是说,气流分离加剧,形成更为强烈的脱体涡。待迎角增大到一定程度,整个上表面基本上处于脱体涡控制之下。图3─2─31画出了后掠角为55°的三角翼(厚弦比6％)上表面在不同迎角下的脱体涡范围。前缘尖锐的薄翼面,脱体涡一开始就从整个前缘拖出。前缘比较圆钝,脱体涡先从翼尖附近开始,然后随着迎角增大而逐渐内移,如图3─2─32所示。后掠翼在迎角增大的过程中,也会出现脱体涡和脱体涡前缘分离点内移的现象。图3─2─33指出了脱体涡.激波、激波失速分离边界随M数、迎角以及展弦比而变化的大体轮廓。后掠翼或一般的三角翼,在气流尚未分离的引角下,升力系数随迎角的增大而直线增长,升力系数与迎角表现为线性变化关系。例如歼7飞机就是这样,参见图3─1─15所示。而细长三角翼具有不寻常的升力特性,其不同点为:升力系数曲线的斜率比大展弦比机翼小得多;其随迎角的变化呈现非线性,升力系数的增长比迎角更快一些,如图3─2─34所示。其所以如此,是因为升力由两部分组成。一部分是翼面的附着流(整个下表面和部分上表面)所产生的升力,叫做“位流升力”,其变化与迎角成线性关系。另一部分是上表面脱体涡所产生的升力,叫“涡升力”,其变化与迎角成非线性关系。

脱体涡具有增大上表面吸力,使升力增大的作用。因为脱体涡从前缘连续产生,形成稳定的低压区,上表面正处于脱体涡低压之下,所以吸力很大。迎角大,低压区吸力也大,所以升力增大更多。图3─2─35是一个展弦比为1的三角翼,在20°迎角下的各个横断面上压强分布图。它说明了上表面在脱体涡所复盖的区域,吸力很大。据理论分析结果:细长三角翼的升力系数()与迎角()之间的关系,如下式所示:

在很小的迎角下,上式可写成

式中第一项是位流升力,第二项是涡升力;与均为常值,其大小取决于展弦比。图3─2─36表明了按上式计算的结果与实验结果的比较。当迎角增大到一定程度,脱体涡在机翼上表面后缘发生破碎,变得不规则,这会使流谱发生变化。迎角进步增大,破碎点向前移动,能量进一步耗散,涡升力减小。再后,出现失速,升力相应下降。临界迎角可高达。三角翼虽然有这样大的临界迎角,但起飞、着陆,还很难得到充分利用。因为起飞、着陆,增大迎角或迎角过大,势必影响飞行员的视界,还会造成机身尾部擦地。例如歼7飞机起飞的着陆迎角,不超过,远远小于临界迎角。为此,有的超音速飞机将机头向下折转,改善视界。同时,加高起落架,防止机尾擦地。

二、三角翼的跨、超音速空气动力特性

空气以超音速流过三角翼的流动情形和三角翼在超音速气流中的压强分布如何,要看是亚音速前缘,还是超音速前缘而定。

(一)三角翼在亚音速前缘情况下的压强分布

在亚音速前绦情况下,三角翼的前缘处于自翼根前缘开始的马赫锥之内,如:图3─2─37所示

流向切面的空气,还未接触前缘的时候,就已经受到机翼中段前缘OA段各点的扰动影响,因而沿途压强是逐渐发生变化的,不致产生激彼。只在机身头部和机身、机翼结合部位的转角处才产生激波。所以,三角翼在亚音速前缘情况下的压强分布,与亚音速气流情况下的压强分布大体类似。对于前缘圆钝的翼面来说,也是上表面前缘附近吸力很高,而沿翼弦往后吸力逐渐降低。图3─2─38给出了薄平板三角翼亚音速前缘情况下的上下表面压强差分布情况。该图表明,机翼前缘附近,上下表面的压强差,比中部后缘压强差大得多。其所以如此,是因为在亚音速前缘的情况下,气流仍是从前缘下表面的驻点开始分为上下两股,绕过前缘流向上表面;流速增大,吸力增大;而在下表面驻点附近,流速减慢,压强增大。因此,机翼前缘附近上下表面的压强差很大。

对于飞行速度超过音速不多的某些超音飞机来说,尽管飞行速度已经超过音速,但机翼前缘仍属于亚音速前缘。这类飞机的机翼通常仍是用圆钝前缘反而可以降低阻力。如果用尖锐前缘,虽然流速快,上表面吸力高,但前缘部分由向前的吸力所占据的面积并不大(图3─2─39a),所以,向前的吸力并不大。相反,用圆钝前缘,虽然流速稍慢,上表面吸力较低,但因向前的吸力所占据的面积比较大(图3─2─39b),形成向前的总吸力比较大,由此可以降低阻力。(二)三角翼在超音速前缘情况下压强分布在超音速前缘情况下,三角翼的前缘处于自翼根前缘开始的马赫锥之外,如图3─2─40所示。空气流至机翼前缘时,并未受到翼根部分前缘对气流扰动的任何影响,而能一直不受影响地流到机翼前缘。这就不会像在亚音速前缘情况下那样,有空气从下表面绕前缘流向上表面,而在上表面前端形成很大吸力的现象。在此种超音速前缘情况下,机翼表面靠近前缘部分的压强分布,与在超音速气流中翼切面的压强分布类似,不论是上表面前缘附近或下表面前缘附近,压强分布都是均匀的。因而机翼前缘附近上下表面的压强差也是均匀分布的,如图3─2─40b所示。在超音速前缘情况下,机翼前缘有前缘激波产生。因此,机翼一般用尖锐前缘,以减小在超音速飞行中的波阻。

(三)三角翼的跨、超音速升力特性在亚音速前缘情况下,三角翼和后掠翼一样,加上展弦比比较小,所以升力系数和升力系数斜率都比较小。在超音速前缘情况下,如同薄平板机翼在超音速气流中一样,三角翼的升力系数和升力系数斜率也是比较小的。(四)三角翼的跨、超音速阻力特性

图3─2─41画出了后掠角和展弦比都不同的三角翼的零升阻力系数随飞行M数的变化曲线。从曲线上可以看出,后掠角比较小、展弦比比较小的三角翼,临界M效比较大。所以,零升阻力系数在更大的M效才开始增长,零升阻力系数增长的趋势比较缓和,最大零升阻力系数也比较小。歼7飞机的零升阻力系数随M数的变化,如图3─2─42所示。

三、边条翼空气动力特性简介边条机翼是以中等后掠()和中等展弦比机翼作为基础,在机翼根部前缘向前延伸,形成一个后掠角很大(大于70°)的细长前翼,如图3─2─43所示。通常称作为基础的机翼部分为基本翼,称细长前翼部分为边条。边条翼在很大迎角范围内,升力特性都优于基本翼,见图3─2─44。其原因是在低、亚、跨音速范围内,气流在不大的迎角下就会从边条前缘产生脱体涡。在脱体涡的诱导下,不但内翼部分对升力的贡献增大了,而且还在上翼面造成一种有规律的流动,控制了外翼上的气流,使其不容易产生大迎角下的气流分离,从而提高了临界迎角和最大升力系数。又由于有小后掠角中等展弦比的主翼,整个机翼在小迎角时也保持了较大升力系数斜率。四、双三角翼空气动力特性简介边条翼的基本翼前缘后掠角一般在之间,如果后掠角再增大,在小迎角时,基本翼前缘也会产生前缘分离旋涡。这样的基本翼和大后掠角的边条组成的小组合机翼称之为双三角翼。双三角翼的翼面气流流动形态较为复杂,如图3─2─45。迎角较小时,从边条和基本翼前缘分离产生两个单纯的前缘涡;迎角稍大,这两个旋转方向相同、涡轴夹角不大、涡之间的距离又较小的前缘涡,在本身相互诱导下,开始接近和绕转(见图3─2─45)。在迎角为范围内,两涡的绕转点就从后缘发展到前缘,外形上形成一个涡。双三角翼,由于边条前缘涡的存在和影响,使基本翼前涡的强度和稳定性都有所提高,使双三角翼上的涡系破裂明显推迟。由于以上原因,双三角翼的气动特性有明显改进。图3─2─46是双三角翼和57°后掠角的基本翼升力系数曲线。图中看出小迎角时,升力系数随迎角变化基本上是一致的,但大迎角下边条的增升效果明显地表现出来。双三角翼的升力系数曲线有一个鲜明的特点,即在大迎角时,升力系数曲线的斜率有一个突降点。这是由于大迎角时双三角翼的旋涡从机翼后缘破裂后,其破裂点随迎角增加迅速前移造成的。超音速飞行时,M数的增加对涡有抑制和推举的作用,双三角冀和边条翼一样,超音速时涡并不起增升作用。见图3─2─47。图3-2-15空气流过后掠翼的情形图3-2-30细长三角翼上表面脱体涡图3-2-31不同仰角下的上表面脱体涡范围图3-2-32脱体涡内移(a)前沿涡(b)局部前沿涡图3-2-33前缘涡、激波和分离边随的变化图3-2-34细长三角翼的非线性升力特点图3-2-35细长三角翼各横断面的展向压力分布图３－２－３６细长三角翼的升力特性─按(3-2-6)式计算结果----涡升力·实验结果图３－２－３７压音速前缘情况下的流动情形图３－２－３８三角翼在压音速前缘情况的压强差分布图３－２－３９机翼前缘处的吸力图３－２－４０三角翼在超音速情况下的压强差分布图３－２－４１三角翼的阻力系数的变化图3-2-42歼－7飞机的零件阻力系数的变化图３－２－４３边条翼图３－２－４４边条翼升力系数曲线图３－２－４５双三角翼流态图３－２－４６双三角翼和基本翼的升力系数曲线图３－２－４７双三角翼和基本翼的升力线斜率随Ｍ数变化机械加工是一种用加工机械对工件的外形尺寸或性能进行改变的过程。按被加工的工件处于的温度状态﹐分为冷加工和热加工。一般在常温下加工，并且不引起工件的化学或物相变化﹐称冷加工。一般在高于或低于常温状态的加工﹐会引起工件的化学或物相变化﹐称热加工。冷加工按加工方式的差别可分为切削加工和压力加工。热加工常见有热处理﹐煅造﹐铸造和焊接。机械加工另外装配时常常要用到冷热处理。例如：轴承在装配时往往将内圈放入液氮里冷却使其尺寸收缩，将外圈适当加热使其尺寸放大，然后再将其装配在一起。火车的车轮外圈也是用加热的方法将其套在基体上，冷却时即可保证其结合的牢固性（此种方法现在依旧应用于某些零部件的转配过程中）。机械加工包括：灯丝电源绕组、激光切割、重型加工、金属粘结、金属拉拔、等离子切割、精密焊接、辊轧成型、金属板材弯曲成型、模锻、水喷射切割、精密焊接等。机械加工：广意的机械加工就是指能用机械手段制造产品的过程；狭意的是用车床（LatheMachine）、铣床(MillingMachine)、钻床(DrilingMachine)、磨床(GrindingMachine)、冲压机、压铸机机等专用机械设备制作零件的过程。编辑本段微型机械加工技术的国外发展现状机械产品1959年，RichardPFeynman(1965年诺贝尔物理奖获得者)就提出了微型机械的设想。1962年第一个硅微型压力传感器问世，其后开发出尺寸为50～500μm的齿轮、齿轮泵、气动涡轮及联接件等微机械。1965年，斯坦福大学研制出硅脑电极探针，后来又在扫描隧道显微镜、微型传感器方面取得成功。1987年美国加州大学伯克利分校研制出转子直径为60～12μm的利用硅微型静电机，显示出利用硅微加工工艺制造小可动结构并与集成电路兼容以制造微小系统的潜力。微型机械在国外已受到政府部门、企业界、高等学校与研究机构的高度重视。美国MIT、Berkeley、Stanford\AT&T的15名科学家在上世纪八十年代末提出"小机器、大机遇：关于新兴领域--微动力学的报告"的国家建议书，声称"由于微动力学(微系统)在美国的紧迫性，应在这样一个新的重要技术领域与其他国家的竞争中走在前面"，建议中央财政预支费用为五年5000万美元，得到美国领导机构重视，连续大力投资，并把航空航天、信息和MEMS作为科技发展的三大重点。美国宇航局投资1亿美元着手研制"发现号微型卫星"，美国国家科学基金会把MEMS作为一个新崛起的研究领域制定了资助微型电子机械系统的研究的计划，从1998年开始，资助MIT，加州大学等8所大学和贝尔实验室从事这一领域的研究与开发，年资助额从100万、200万加到1993年的500万美元。1994年发布的《美国国防部技术计划》报告，把MEMS列为关键技术项目。美国国防部高级研究计划局积极领导和支持MEMS的研究和军事应用，现已建成一条MEMS标准工艺线以促进新型元件/装置的研究与开发。美国工业主要致力于传感器、位移传感器、应变仪和加速度表等传感器有关领域的研究。很多机构参加了微型机械系统的研究，如康奈尔大学、斯坦福大学、加州大学伯克利分校、密执安大学、威斯康星大学、老伦兹得莫尔国家研究等。加州大学伯克利传感器和执行器中心(BSAC)得到国防部和十几家公司资助1500万元后，建立了1115m2研究开发MEMS的超净实验室。日本通产省1991年开始启动一项为期10年、耗资250亿日元的微型大型研究计划，研制两台样机，一台用于医疗、进入人体进行诊断和微型手术，另一台用于工业，对飞机发动机和原子能设备的微小裂纹实施维修。该计划有筑波大学、东京工业大学、东北大学、早稻田大学和富士通研究所等几十家单位参加。欧洲工业发达国家也相继对微型系统的研究开发进行了重点投资，德国自1988年开始微加工十年计划项目，其科技部于1990～1993年拨款4万马克支持"微系统计划"研究，并把微系统列为本世纪初科技发展的重点，德国首创的LIGA工艺，为MEMS的发展提供了新的技术手段，并已成为三维结构制作的优选工艺。法国1993年启动的7000万法郎的"微系统与技术"项目。欧共体组成"多功能微系统研究网络NEXUS"，联合协调46个研究所的研究。瑞士在其传统的钟表制造行业和小型精密机械工业的基础上也投入了MEMS的开发工作，1992年投资为1000万美元。英国政府也制订了纳米科学计划。在机械、光学、电子学等领域列出8个项目进行研究与开发。为了加强欧洲开发MEMS的力量，一些欧洲公司已组成MEMS开发集团。目前已有大量的微型机械或微型系统被研究出来，例如：尖端直径为5μm的微型镊子可以夹起一个红血球，尺寸为7mm×7mm×2mm的微型泵流量可达250μl/min能开动汽车，在磁场中飞行的机器蝴蝶，以及集微型速度计、微型陀螺和信号处理系统为一体的微型惯性组合(MIMU)。德国创造了LIGA工艺，制成了悬臂梁、执行机构以及微型泵、微型喷嘴、湿度、流量传感器以及多种光学器件。美国加州理工学院在飞机翼面粘上相当数量的1mm的微梁，控制其弯曲角度以影响飞机的空气动力学特性。美国大批量生产的硅加速度计把微型传感器(机械部分)和集成电路(电信号源、放大器、信号处理和正检正电路等)一起集成在硅片上3mm×3mm的范围内。日本研制的数厘米见方的微型车床可加工精度达1.5μm的微细轴。工艺基础的基本概念编辑本段生产过程和工艺过程生产过程是指从原材料（或半成品）制成产品的全部过程。对机器生产而言包括原材料的运输和保存，生产的准备，毛坯的制造，零件的加工和热处理，产品的装配、及调试，油漆和包装等内容。生产过程的内容十分广泛，现代企业用系统工程学的原理和方法组织生产和指导生产，将生产过程看成是一个具有输入和输出的生产系统。能使企业的管理科学化，使企业更具应变力和竞争力。在生产过程中，直接改变原材料（或毛坯）形状、尺寸和性能，使之变为成品的过程，称为工艺过程。它是生产过程的主要部分。例如毛坯的铸造、锻造和焊接；改变材料性能的热处理[1]；零件的机械加工等，都属于工艺过程。工艺过程又是由一个或若干个顺序排列的工序组成的。工序是工艺过程的基本组成单位。所谓工序是指在一个工作地点，对一个或一组工件所连续完成的那部分工艺过程。构成一个工序的主要特点是不改变加工对象、设备和操作者，而且工序的内容是连续完成的。例如图32-1中[cc1]的零件，其工艺过程可以分为以下两个工序：工序1：在车床上车外圆、车端面、镗孔和内孔倒角；工序2：在钻床上钻6个小孔。在同一道工序中，工件可能要经过几次安装。工件在一次装夹中所完成的那部分工序，称为安装。在工序1中，有两次安装。第一次安装：用三爪卡盘夹住外圆，车端面C，镗内孔，内孔倒角，车外圆。第二次安装：调头用三爪盘夹住外圆，车端面A和B，内孔倒角。编辑本段生产类型生产类型通常分为三类。1．单件生产单个地生产某个零件，很少重复地生产。2．成批生产成批地制造相同的零件的生产。3．大量生产当产品的制造数量很大，大多数工作地点经常是重复进行一种零件的某一工序的生产。拟定零件的工艺过程时，由于零件的生产类型不同，所采用的加方法、机床设备、工夹量具、毛坯及对工人的技术要求等，都有很大的不同。编辑本段加工余量为了加工出合格的零件，必须从毛坯上切去的那层金属的厚度，称为加工余量。加工余量又可分为工序余量和总余量。某工序中需要切除的那层金属厚度，称为该工序的加工余量。从毛坯到成品总共需要切除的余量，称为总余量，等于相应表面各工序余量之和。在工件上留加工余量的目的是为了切除上一道工序所留下来的加工误差和表面缺陷，如铸件表面冷硬层、气孔、夹砂层，锻件表面的氧化皮、脱碳层、表面裂纹，切削加工后的内应力层和表面粗糙度等。从而提高工件的精度和表面粗糙度。加工余量的大小对加工质量和生产效率均有较大影响。加工余量过大，不仅增加了机械加工的劳动量，降低了生产率，而且增加了材料、工具和电力消耗，提高了加工成本。若加工余量过小，则既不能消除上道工序的各种缺陷和误差，又不能补偿本工序加工时的装夹误差，造成废品。其选取原则是在保证质量的前提下，使余量尽可能小。一般说来，越是精加工，工序余量越小。编辑本段基准机械零件是由若干个表面组成的，研究零件表面的相对关系，必须确定一个基准，基准是零件上用来确定其它点、线、面的位置所依据的点、线、面。根据基准的不同功能，基准可分为设计基准和工艺基准两类。1．设计基准在零件图上用以确定其它点、线、面位置的基准，称为设计基准。如图32-2所[cc2]示的轴套零件，各外圆和内孔的设计基准是零件的轴心线，端面A是端面B、C的设计基准，内孔的轴线是外圆径向跳动的基准。2．工艺基准零件在加工和装配过程中所使用的基准，称为工艺基准。工艺基准按用途不同又分为装配基准、测量基准及定位基准。（1）装配基准装配时用以确定零件在部件或产品中的位置的基准，称为装配基准。（2）测量基准用以检验已加工表面的尺寸及位置的基准，称为测量基准。如图32-2中的零件，内孔轴线是检验外圆径向跳动的测量基准；表面A是检验长度L尺寸l和的测量基准。（3）定位基准加工时工件定位所用的基准，称为定位基准。作为定位基准的表面（或线、点），在第一道工序中只能选择未加工的毛坯表面，这种定位表面称粗基准.在以后的各个工序中就可采用已加工表面作为定位基准，这种定位表面称精基准。编辑本段拟定工艺路线的一般原则机械加工工艺规程的制定，大体可分为两个步骤。首先是拟定零件加工的工艺路线，然后再确定每一道工序的工序尺寸、所用设备和工艺装备以及切削规范、工时定额等。这两个步骤是互相联系的，应进行综合分析。工艺路线的拟定是制定工艺过程的总体布局，主要任务是选择各个表面的加工方法，确定各个表面的加工顺序，以及整个工艺过程中工序数目的多少等。拟定工艺路线的一般原则1、先加工基准面零件在加工过程中，作为定位基准的表面应首先加工出来，以便尽快为后续工序的加工提供精基准。称为“基准先行”。2、划分加工