空气动力学与飞行器设计研究.ppt

1、空气动力学与飞行器设计,人们常问的问题：,空气动力是什么，是怎样产生的？ 重于空气的飞行器怎么能飞？ 飞行器设计中的关键问题是什么？ 现代及未来飞行器是什么样的？ 空气动力学的应用范围有哪些？ 、,主 要 内 容,前言 飞行中的力学现象 CFD在飞行器设计中的重要作用 空气动力学研究动态,前 言,现代飞行器的主要特点 现代飞行器设计对研究方法的要求 飞行器设计的主要研究方法,回上级目录,现代飞行器的主要特点,民用飞行器 (货运飞机、客运飞机等) 航程/航时长 有效载重大 运行成本低 安全性高 军用飞行器 (运输机、轰炸机、战斗机等) 机动性 隐身性 载弹量 抗打击能力 进攻/防卫能力,现代飞行

2、器的主要特点(续),先进飞行器(战斗机)设计特点 翼身融合设计 鸭式布局(跨、超声速飞行器) 乘波外形设计(高超声速飞行器) 机体/进排气一体化设计 气动/隐身一体化设计 综合性能优化设计 典型飞行器演示图片,X32,X32,X35,B2,法国Rafale战机,回上级目录,现代飞行器设计方法的要求,周期短 成本低 可重复实验 结果可靠 可提供飞行器设计所需的参数,回上级目录,飞行器设计的主要研究方法,风洞试验：Wind-tunnel Experiment 数值试验/模拟 : Numerical Simulation 飞行试验：Flying Test 理论分析: Theoretical Anal

3、ysis,回上级目录,风洞试验,风洞实验是实验空气动力学中的一个重要的研究方法。 风洞：是一种设备，利用相似准则，能够在地面模拟飞行器在大气中的飞行，并进行数据采集及处理。 世界上第一座风洞：1891，韦纳姆 为飞行器设计及飞行试验提供技术参数。 优点：能模拟飞行环境。 缺点：成本高、周期长、技术难度大。,风洞试验(续),随着电子、激光、热线、液晶、光导、微型传感器等技术的发展，目前风洞试验可以模拟飞行器的大部分飞行环境、参数及模态。如： 大气湍流、突风、大雨、结冰等 音爆、噪声等 气动热：高超声速 垂直起落、俯仰(偏航)震荡、摇滚、尾旋等,南航NH-1风洞,南航高超声速风洞(NHW),南航高

4、超声速风洞(NHW),南航高超声速风洞(NHW),南航高超声速风洞(NHW),数值试验/模拟,数值模拟是计算流体力学中的核心。 数值模拟：利用高性能计算机，通过数值求解流动模型的控制方程，得到全流场离散点上的流动参数，进而达到模拟流动状态及过程的目的。 作用： 揭示流动机理 解释流动现象 数值仿真,飞行试验,根据数值模拟结果与风洞试验结果，制造原形样机，进行实际飞行，以测试飞行器的设计指标。 一般需要35架原型机进行实验。,回上级目录,飞行中的力学现象,飞行器所受的力 飞行器所受的力矩 典型的流动现象 超机动飞行,飞行中的力学现象飞行器所受的力,升力：又称举力，克服重力，抬起飞行器 阻力：含摩

5、擦阻力、压差阻力等 推力：推进系统提供 重力：飞行器自身重量 问题：升力/阻力是怎样产生的？,速度与压力的关系：伯努利公式 此式表明：当密度为定值时(不可压流)，流速越 大的地方，压力越小。,飞行中的力学现象升力的产生(1),飞行中的力学现象升力的产生(2),简单地说：上下翼面的压力差产生了升力,迎角的定义,问题：航海中，为什么规定两艘船平行航行时，不能靠的太近？,压差阻力：由上下翼面的压力差产生了升力， 同时，前后翼面的压力差会产生阻力。 摩擦阻力：由于气流具有粘性，在物面上会出 现剪切应力，切向应力形成摩擦力。 理想流体：无粘、不可压流体 实际流体：有粘、可压流体,飞行中的力学现象阻力的产

6、生,飞行中的力学现象空气的粘性,实际上，空气是有粘性的。在研究流体流动机理方面，这些粘性效应是不容忽视的。在日常生活中，由于空气粘性很小而不容易察觉。 现实例子：河中间的河水流速比岸边快 粘性影响下，飞行器表面的气流应该具有与当地物面相同的速度。(在相对坐标系下，物体不动，气流以一定的速度流过物体，此时，物面空气质点的速度应该为零),飞行中的力学现象粘性效应,速度的分层，粘性流动的速度型,飞行中的力学现象粘性效应(续),流体微团的变形，切应力的产生,飞行中的力学现象飞行器所受的力矩,俯仰力矩：使飞行器抬头或低头 偏航力矩：使飞行器航向发生改变 滚转力矩：使飞行器绕机体轴滚转,飞行中的力学现象典

7、型流动现象(I),扰动传播的四种情况： 假设：扰动以声速传播。 定义：马赫数(M)=飞行速度/声速,I. M=0 II. M1,飞行中的力学现象典型流动现象(I),III. M=1 IV. M1,激波 激波前后流场 物理量的变化,飞行中的力学现象典型流动现象(I),激波随物体形状的变化,飞机周围的激波,飞行中的力学现象典型流动现象(II),机翼翼梢脱出的涡索,飞行中的力学现象典型流动现象(III),物体后方的涡系结构，涡的产生、破碎,飞行中的力学现象典型流动现象(III),物体后方的涡系结构，涡干扰,飞行中的力学现象典型流动现象(IV),紊流流动,飞行中的力学现象典型流动现象(IV),无粘流与

8、粘性流动的比较,飞行中的力学现象典型流动现象(V),流动随迎角的变化,飞行中的力学现象超机动飞行,“眼镜蛇”机动,眼镜蛇机动,眼镜蛇机动,SU-37超机动表演,飞行中的力学现象超机动飞行,回上级目录,CFD在飞行器设计中的作用,正问题：给定飞行器外形，计算气动载荷、气动力及飞行器气动性能 反问题：给定气动性能要求，寻求符合要求的飞行器气动外形 综合优化设计过程,CFD在飞行器设计中的作用(续),CFD的重要作用 以较小的花费获取较全面的信息。如： 数值模拟周期短 采用CFD技术，波音747飞机的风洞试验次数减少了70%，研制周期比预定缩短了2年。 模拟软件的功能可不断更新、扩充,CFD在飞行器设计中的作用(续),世界各国的航空航天界对CFD都非常重视 科研单位 大学 型号单位等 数值风洞代替大量实际风洞试验,CFD在飞行器设计中的作用(续),CFD在其他领域的应用 天气预报 海洋流动 大气污染 微流体 渗透、润滑 人体血液循环 核爆炸等,回上级目录,空气动力学研究动态,高超声速空气动力学 磁流体力学 超声速燃烧 高超声速飞行武器 空天飞行器 、,高超声速,回上级目录,人有了知识，就会具备各种分析能力， 明辨是非的能力。 所以我们要勤恳读书，广泛阅