无人机空气动力学与飞行原理课件(第二版)课件1 空气动力学

无人机空气动力学

与飞行原理

（第二版）

（1）空气动力学的定义和研究方法空气动力学研究物体和空气之间有相对运动时，即物体在空气中运动时，空气的运动规律及作用力所服从的规律。

（1）实验研究方法。（2）理论分析方法。①通过实验或观察，对问题进行分析研究。②运用基本的定律、原理和数学分析，建立数学方程。③利用各种数学方法准确地或近似地解出方程。④对所得结果进行分析、判断，并通过实验与之比较。⑤考虑未计及的因素，对公式或结果进行必要的修正。

（3）数值计算方法。无人机空气动力学研究的内容（1）基本理论方面。阐明无人机飞行过程中与周围空气相互作用的空气动力现象、流动现象、流场分布等，分析空气流动时无人机的受力情况，以便对无人机的几何外形进行改造，来改善无人机的气动特性，提高无人机的飞行性能，增进飞行品质。（2）性能计算方面。在理论和实验的基础上，分析主要构造参数对无人机飞行性能的影响，建立无人机的空气动力计算方法，为无人机设计所用。（3）飞行力学方面。主要包括性能计算，如速度、高度、航程和燃油消耗量的定量计算；飞行动力学正解技术以及飞行动力学逆解技术（由给定的飞行轨迹求解所需的操纵规律等）（4）飞行品质方面。研究整架无人机的平衡问题及其对控制系统与功率变化的反应；分析无人机在各种飞行状态下的稳定性及操纵性，包括对大气紊流的反应及如何控制的问题等。大气飞行环境飞行器在大气层内飞行时所处的环境条件，称为大气飞行环境。大气层的上界可能延伸到离地面6400公里左右。（1）干空气的组成包括78%的氮气、21%的氧气，以及少量的其他气体，如氩气、二氧化碳、氖气和臭氧等。

（2）水蒸汽是低层大气的重要成分，含量不多，只占大气总容积的0.4%，是大气中含量变化最大的气体。

（3）粉尘颗粒物主要是悬浮在大气中的固态、液态的微粒，主要来源于有机物燃烧的烟粒、风吹扬起的尘土、火山灰尘、宁宙尘埃及工业排放物等，大多集中在大气底,太阳辐射和地面辐射具有一定的吸收和散射作用，影响着大气温度的变化。杂质大部分是吸湿性的，往往成为水汽凝结的核心大气的分层

大气层的空气密度随高度而减小，越高空气越稀薄，但没有明显的界限。航空器飞行的大气环境是对流层和平流层。连续介质假设

气体与固体不同，气体没有确定的几何形状。把气体盛入某容器内，它的形状就取决于该容器的几何形状。气体总是能够充满容纳它的整个容器。因此，可以把气体看成连绵一片的、没有间隙的、充满了它所占据的空间的连续介质。这就是连续介质假设。

连续介质假设在空气动力学中很有用。根据连续介质假设，可以把气体介质的一切物理属性，如密度、速度、压强等都看作是空间的连续函数。空气密度、温度和压力1．空气密度：空气密度是指单位体积内的空气质量。2．空气温度：空气温度是指空气的冷热程度，主要有3种标定方法：摄氏温度、华氏温度和绝对温度。大多数国家用摄氏温度来表示，单位是摄氏度℃；少数国家和地区（如美国）使用华氏温度，理论计算中常用热力学温度来表示。在大约11公里高度以下的大气层内，随着高庋增加，大气温度下降，近似按线性变化。3．空气压力：空气压力是指空气的压强，即物体单位面积上所承受的空气的垂直作用力。随着高度的增加，气压不断降低。大气压力随着高度的增加，基本呈线性下降，无人机如果飞行高度太高，空气密度和空气压力很小，发动机的效率就会很低，因此无人机的飞行高度是有限制的，即所谓“升限”。空气压缩性、黏性和国际标准大气1．空气的压缩性：空气的压缩性是指一定量的空气，当其所受到的压力或温度改变时，其密度或体积也要发生相应变化的物理性质。液体是不可压缩的，而气体是可压缩的物质。对应于无人机低速飞行时，空气的压力变化一般不大，空气密度的变化很小，可把气流当成是不可压缩的气流，。但是，对应于无人机高速飞行时，由于速度变化所引起的压力变化较大，就必须考虑空气的压缩性。2．空气的黏性：空气的黏性力是相邻空气分子之间相互运动时产生的牵扯作用力，也叫作空气的内摩擦力。空气黏性大小取决于：（l）速度梯度。（2）空气温度。（3）气体性质。（4）接触面积。3．国际标准大气：国际标准大气ISA是人为规定大气温度、密度、压力等随高度变化的关系，得出统一的数据，作为计算和试验飞行器的统一标准空气流动的基本规律1．空气的相对运动原理只要空气和物体之间有相对运动，空气就会对物体产生空气动力。空气相对于物体的流动称为相对气流，相对气流的方向与物体运动方向相反。2．运动的转换原理

当无人机在原来静止的空气中作等速直线飞行时，将引起物体周围空气的运动，同时空气将给无人机以作用力。无人飞机的相对气流就是空气相对于无人飞机的运动，相对气流方向就是无人飞机飞行速度的反方向。影响空气动力重要因素是无人飞机与空气之问的相对速度，只要相对气流速度相同，无人飞机产生的空气动力就相同。流场的基本概念（1）流场的定义：流体流动所占据的空间称为流场。大气层是大流场（2）定常与非定常流动：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。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。如果无人飞机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，这就是通常所说的“准定常运动”。（3）迹线：迹线是流体质点的运动轨迹。（4）流线：在某一瞬时绘制出许多称为流线的空间曲线，在每一条曲线的各个点上，它的切线方向就是该点处空气微团的流动速度方向。流线不能相交，也不能折转，只能是一条光滑曲线。（5）流线谱：由许多流线所组成的流动图形称之为流线谱，它真实地反映了空气流动的全貌。一般分析无人飞机空气动力的产生和变化，就是从分析空气流过无人飞机的流线谱着手的。（6）流管和流束：在流场中任画一封闭曲线，在该曲线上每一点做流线，由这许多流线所围成的管状曲面称为流管。在稳定流动时流管好像真实管子一样。充满在流管内的流体，称为流束。空气流动的连续性定律质量守恒定律说明物质既不会消失，也不会凭空增加。空气在流动时，需要遵守质量守恒定律，这条定律在空气动力学中称为连续性定理。当流体低速、连续不断地、稳定地流过一个粗细不等的流管时，由于流管中任一部分的流体都不能中断或堆积起来，因此在同一时间，流过流管任意截面的流体质量应该相等，这就是流体的连续性定理。伯努利定理能量守恒定律则说明能量不会消失，也不会无中生有，只能从一种形式转换为另一种形式，能量的总和保持不变。伯努利定理是能量守恒定律在流体流动中的应用，其数学表达式称为伯努利方程。

式中P0为总压（全压