空气动力学与飞行原理课件 2.1 气流特性

模块二：低速飞行中的空气动力特性任务一：气流特性2.1气流特性空气动力是空气相对于飞机运动时产生的，要学习和研究飞机的升力和阻力，首先要研究空气流动的基本规律。2.1.1气流的有关概念1.气流和相对气流气流就是空气的流动。相对气流就是空气相对于物体的流动。飞机的相对气流方向与飞行速度方向相反只要相对气流速度相同，飞机产生的空气动力就相同。相对气流方向就是飞机速度的反方向2.1.1气流的有关概念1.气流和相对气流流体力学方面的风洞实验的主要分类有测力实验、测压实验、传热实验、动态模型实验和流态观测实验等。测力和测压实验是测定作用于模型或模型部件（如飞行器模型中的一个机翼等）的气动力及表面压强分布，多用于为飞行器设计提供气动特性数据。相对气流的现实应用直流式风洞回流式风洞风洞实验风洞的其它功用2.1.1气流的有关概念2.稳定气流如果空气流经空间各点的速度和方向及其压力、密度等都不随时间的改变而变化，这种流动叫稳定流动。稳定流动的空气称为稳定气流，也称定常流。如果空气流过A、B、C等各点的气流随时间的改变而变化的流动，叫不稳定流动。不稳定流动的空气称为不稳定气流，也称非定常流。2.1.1气流的有关概念3.流线和流线谱在稳定流动中，空气微团的流动线路叫流线，空气微团在流线上任一点的速度方向都和该点流线的切线方向相重合。2.1.1气流的有关概念3.流线和流线谱流线谱是所有流线的集合。2.1.1气流的有关概念3.流线和流线谱2.1.1气流的有关概念3.流线和流线谱流管：由许多流线所围成的管状曲面。2.1.1气流的有关概念3.流线和流线谱流线的特点该曲线上每一点的流体微团速度与曲线在该点的切线重合。流线每点上的流体微团只有一个运动方向。流线不可能相交，不可能分叉。2.1.1气流的有关概念3.流线和流线谱流线谱的特点流线谱的形状与流动速度无关。物体形状不同，空气流过物体的流线谱不同。物体与相对气流的相对位置（迎角）不同，空气流过物体的流线谱不同。气流受阻，流管扩张变粗，气流流过物体外凸处或受挤压，流管收缩变细。气流流过物体时，在物体的后部都要形成涡流区。流体模型化①理想流体，不考虑流体粘性的影响。②不可压流体，不考虑流体密度的变化，Ma<0.4。③绝热流体，不考虑流体温度的变化，Ma<0.4。2.1.2空气在管道中的流动特性由翼型的流线谱可知，气流流过翼面时，沿途流管是变化的。而流管的变化会引起气流的速度、压力也随之变化。因此翼面各点的局部压力也将发生不同的变化，这将对空气动力的产生和变化产生直接影响。2.1.2空气在管道中的流动特性1.连续性原理和连续性方程流体稳定连续地流过流管时，在同一时间内，流过流管任意截面的流体质量相等。质量守恒定律是连续性定理的基础。日常的生活中的连续性定理山谷里的风通常比平原大高楼大厦之间的对流通常比空旷地带大河水在河道窄的地方流得快，河道宽的地方流得慢1.连续性原理和连续性方程单位时间内流过截面1的流体体积为单位时间内流过截面1的流体质量为同理，单位时间内流过截面2的流体质量为则根据质量守恒定律可得：结论：空气流过一流管时，流速大小与截面积成反比。A1,v1A2,v221即2.伯努利原理和伯努利方程空气静止时，相互连通的各玻璃管内的水柱，都是一样的。说明流管各切面的空气压力相等，并且都等于大气压力。当空气稳定连续地流过实验管道时，可以发现各玻璃管中的水柱普遍升高，说明各切面的空气压力减小。管道最细的地方，水柱升高最多，说明切面的空气压力最小。反之，管道越粗，水柱越低，说明空气的压力越大。2.伯努利原理和伯努利方程空气能量主要有四种：动能、压力能、热能、重力势能。低速流动，热能可忽略不计；空气密度小，重力势能可忽略不计。因此，沿流管任意截面能量守恒，即为：动能+压力能=常值。公式表述为：流动的空气具有三种能量：动能、压力和内能。

2.伯努利原理和伯努利方程同一流管的任意截面上，流体的静压与动压之和保持不变。是伯努利定理的基础。伯努利定理—动压，单位体积空气所具有的动能。这是一种附加的压力，是空气在流动中受阻，流速降低时产生的压力。—静压，单位体积空气所具有的压力能。在静止的空气中，静压等于当时当地的大气压。—总压（全压），它是动压和静压之和。总压可以理解为，气流速度减小到零之点的静压。深入理解动压、静压和总压同一流管：截面积大，流速小，压力大。截面积小，流速大，压力小。伯努利定理适用条件气流是连续、稳定的，即流动是定常的。流动的空气与外界没有能量交换，即空气是绝热的。空气没有粘性，即空气为理想流体。空气密度是不变的，即空气为不可压流。在同一条流线或同一条流管上。3.伯努利方程的应用3.伯努利方程的应用如图2—9所示，空速管正前方的开孔，用来感受相对气流的全压，并通过导管将全压引入空速表开口膜盒的外部。由于表壳是密封的，所以，开口膜盒实际上感受相对气流的静压，并通过导管将静压的差值，即动压的大小。飞行中，在动压的作用下，开口膜盒膨胀，传动指针转动，指示飞行速度。飞行速度越大，动压越大，开口膜盒膨胀越多，指针转动角度越大，指示的速度数值就越大。3.伯努利方程的应用与动压、静压相关的仪表空速表高度表升降速度表空速表升降速度表高度表3.伯努利方程的应用空速表的粗针与刻度盘的对应关系，是根据海平面标准大气条件下，动压与飞行速度的对应关系而指定。我们把直接按相对气流动压大小指示的仪表速度，叫做表速，用表示。粗指针所指示的表速，只有在海平面标准这一特定条件下，才能指示飞机的真实空速。如果飞行速度不变。高度升高，由于空气密度减小，动压也随之变小，于是膜盒收缩，粗针转角变小，指示的就不是飞机的真实空速了。飞行中，飞机相对于空气的真实飞行速度，叫做真实空速，简称为真速，用表示。3.伯努利方程的应用真速是由空速表的细针来指示的，其工作原理如图2-10所示。在空速表中，粗指针和细指针虽然共用一个开口膜盒，但是，在细指针的转动机构中加装了一个真空膜盒，当高度升高时，由于空气密度减小，真空膜盒膨胀，使支点向右移动，改变了传动机构的转动比，在开口膜盒膨胀程度相同的情况下（即动压相同，表速相同），使扇形齿轮多转动一个角度，从而修正了密度变化的影响。3.伯努利方程的应用表速的概念在飞机的飞行和维护中经常用到。例如，在飞机的强度计算中对最大动压有一定的限制，以免机体因受力过大遭到损坏。真速的概念则在飞机空气动力计算中往往用到。例如，计算高速飞行中的M数和飞机的续航性能等。表速与真速的关系如果飞机以一定的动压飞行，则在海平面的动压值为高度升高后的动压值为由于两个高度上的动压值相等，所以有2.1.3空气沿物面的流动特性忽略空气粘性的气流称为理想气流。这对研究飞机升力的产生和变化具有重要意义。但是，空气是具有粘性的，尤其是空气流过物体时，在贴近物面的流动层，空气的粘性影响十分明显，它对飞机的阻力特性有重要影响。2.1.3空气沿物面的流动特性1.空气的粘性和粘性力空气的粘性可以通过图2-12所示的空气粘性实验来证实。2.1.3空气沿物面的流动特性1.空气的粘性和粘性力空气具有粘性，从实质上讲，是由于相邻两流速不同的空气层的空气分子作无规则运动，互相交换动量的结果。这种相邻两流速不同的空气层之间相互牵址的特性，就是空气的粘性。2.1.3空气沿物面的流动特性1.空气的粘性和粘性力相邻两流速不同的空气层之间，由于粘性的作用而产生的相互牵址的作用力，叫做空气的粘性力（也叫内摩擦力）。其大小可用下式计算：式中F——空气的粘性力；

——相邻两流动层的速度梯度；

S——相邻两流动层的接触面积；

——空气的粘性系数，表示气体单位面积、单位速度梯度所产生的粘性力。其大小与温度有关。2.1.3空气沿物面的流动特性2.附面层和气流分离空气流过飞机和机翼时，由于粘性的作用，其流动情况如图2-14所示。贴近物体表面减速流动的气流层叫附面层。后部存在有大量不稳定的旋涡，通常称为旋涡区。在附面层和旋涡区之外，可以忽略粘性作用的气流，称之为主流区。附面层、涡流区的形成是产生低速飞行中的摩擦阻力和压差阻力的直接原因。2.1.3空气沿物面的流动特性2.附面层和气流分离A.附面层(1)附面层的形成原因和主要特点附面层的形成原因：空气的粘性附面层的主要特点：ａ.附面层内的气体，沿飞机或机翼表面法线方向，存在速度梯度。根据速度分布图可以看出，在贴近飞机表面，速度梯度较大，而在附面层边缘附近，速度梯度接近于零。2.1.3空气沿物面的流动特性2.附面层和气流分离2.1.3空气沿物面的流动特性2.附面层和气流分离附面层的主要特点：ｂ．附面层的厚度，随空气沿飞机表面流动距离的增长而变厚。ｃ．附面层中，沿飞机表面法线方向压力基本不变且等于主流压力。2.1.3空气沿物面的流动特性2.附面层和气流分离（2）层流附面层与紊流附面层2.1.3空气沿物面的流动特性2.附面层和气流分离（2）层流附面层与紊流附面层附面层按其性质的不同，可分为层流附面层和紊流附面层。空气沿飞机表面流过，开始一般是层流附面层（图2-17），空气沿飞机表面流过一段距离后，空气微粒上下乱动逐渐增强，不能再继续维持层流而变成紊流附面层。由于紊流附面层底部流动层的速度梯度比层流附面层大，所以紊流附面层底层的粘性力较大。2.1.3空气沿物面的流动特性2.附面层和气流分离（2）层流附面层与紊流附面层层流层与紊流层之间，有一个过渡区域。这个过渡区域很小，通常就把他看成是一个过渡点，这一点，叫转捩点（图2-17）。转捩点位置靠前，表面紊流层段较长。反之，转捩点位置靠后，表面层流层段较长。转捩点的位置不是固定不变的，它随着气流速度、气流原始的紊乱程度以及飞机表面光滑程度等而改变。如果气流速度增大、气流原始紊乱程度增强、飞机表面粗糙，则附面层也就容易产生微小漩涡而由层流转变为紊流，这时，转折点位置必然前移。2.1.3空气沿物面的流动特性2.附面层和气流分离B.气流分离气流流过机翼时，尾部涡流区的形成是由于附面层中的空气，不能紧贴机翼表面顺利地向流动造成气流分离所引起的。（1）原因：形成气流分离的内因是空气具有粘性，而逆压力的影响，则是重要的外部原因。如果逆压力越大，就越容易发生气流分离。机翼迎角增大，最低压点前移，逆压力增大，分离点前移，涡流区扩大。物体的形状接近流线体，最低压力点后的逆压力小，分离点位置靠后，涡流区小。2.1.3空气沿物面的流动特性2.附面层和气流分离（2）涡流区的压力特点涡流区的压力有所减小，而且极不稳定，这是由于涡流区内的空气急剧旋转，在空气粘性的影响下，造成摩擦损失，使其中的一部分动能，转变为热能散失到周围的空气中，这部分动能就再