空气动力学部分知识要点

温柔似野鬼°
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2021年02月11日 20:51
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-

2021年2月11日发(作者:红酒的品牌)



空气动力学及飞行原理课程



空气动力学部分知识要点



一、



流体属性与静动力学基础



1


、



流体与 固体在力学特性上最本质的区别在于:二者承受剪应力


和产生剪切变形能力上的不同。< /p>



2


、



静止流体在剪应力作用下(不论所加剪切应力


τ


多么小,只要


不等于零)将产生持续不断的变形运动(流动)


,换句话说,静


止流体不能承受剪切应力,将这种特性称为流体的易流性。



3


、


< br>流体受压时其体积发生改变的性质称为流体的压缩性,而抵抗


压缩变形的能力和特 性称为弹性。



4


、



当马赫 数小于


0.3


时,气体的压缩性影响可以忽略不计。

< p>


5


、



流层间阻碍流体相对错动


(变形)


趋势的能力称为流体 的粘性,


相对错动流层间的一对摩擦力即粘性剪切力。



6


、



流体的 剪切变形是指流体质点之间出现相对运动(例如流体层


间的相对运动)流体的粘性是指流 体抵抗剪切变形或质点之间


的相对运动的能力。流体的粘性力是抵抗流体质点之间相对运


动(例如流体层间的相对运动)的剪应力或摩擦力。在静止状


态 下流体不能承受剪力;但是在运动状态下,流体可以承受剪


力,剪切力大小与流体变形速 度梯度有关,而且与流体种类有




关



7


、



按照作 用力的性质和作用方式,


可分为彻体力和表面力


(面力)


两类。例如重力,惯性力和磁流体具有的电磁力等都属于彻体


力,彻体 力也称为体积力或质量力。



8


、



表面力 :相邻流体或物体作用于所研究流体团块外表面,大小


与流体团块表面积成正比的接触力 。由于按面积分布,故用接


触应力表示,并可将其分解为法向应力和切向应力:



9


、



理想和静止流体中的法向应力称为压强,其指向沿着表面的内


法线方向,压强 的量纲是


[


力


]/[

< br>长度


]


2



10


、



标准大气规定在海平面上,大气温度为



15


℃




或




T


0



=


288.15K


,


压强




p


0


= 760


毫米汞柱



= 101325


牛


/


米


2


,


密度


ρ


0


=


1.225


千克

< br>/


米


3



11


、



从基准面到



11 km

< p>
的高空称为对流层,


在对流层内大气密度和


温度随 高度有明显变化,温度随高度增加而下降,高度每增加



1km


,温度下降



6.5 K


。从



11 km


到



21km


的高空大气温度基


本不变,


称为同温层或平流层,


在同温层内温度保持为

< br>


216.5 K


。


普通飞机主 要在对流层和平流层里活动。



12


、



散度、旋度、有旋流、无旋流。



13


、



描述 流体运动的方程。


低速不可压缩理想流体:


连续方程

< p>
+


动量


方程(欧拉方程)


;低速不可压缩粘性流体:连续方程


+


动量方

< br>



程


(


N-S


方程)


;


高速可压缩理想流体 :


连续方程


+


动量方程


(欧


拉方程)


+


能量方程


+


状态方程。



14


、



连续 方程是质量守恒定律在流体力学中具体表达形式。由于连


续方程仅是运动的行为,与受力 无关,因此既适用于理想流体


也适用于粘性流体。



15


、



定常 流是指在流场中任一固定点的所有流体属性(如流速、压


力、密度等)都和时间无关的流 动,在定常流情况下,所有参


数对时间的导数都等于


0


。非定常流是指流场任一固定点的一


个或多个速度分量或其他流体属性随 时间发生变化的流动。



注:流动类型:定常流


/


非定常流,可压缩流动


/


不 可压缩流动,


无粘流动


/


粘性流动,有 旋流动


/


无旋流动。



16


、



环量 的定义:在流场中任取一条封闭曲线,速度沿该封闭曲线


的线积分称为该封闭曲线的速度 环量。速度环量的符号不仅决


定于流场的速度方向,而且与封闭曲线的绕行方向有关,规 定


积分时逆时针绕行方向为正,即封闭曲线所包围的区域总在行


进方向的左侧。



17


、



在无 旋流动中,沿着任意一条封闭曲线的速度环量均等于零。


但是对有旋流动,绕任意一条封 闭曲线的速度环量一般不等于


零。



18


、



涡量 是指流场中任何一点微团角速度之二倍,如平面问题中的


2


ω< /p>


z


,



称为涡量,涡量是个纯运动学的概念。





19


、



像流 线一样,在同一瞬时,如在流场中有一条曲线,该线上每


一点的涡轴线都与曲线相切,这 条曲线叫涡线。给定瞬间,通


过某一曲线


(本身不是涡线)


的所有涡线构成的曲面称为涡面。


由封闭涡面组成的管状涡面称为涡 管。涡线是截面积趋于零的


涡管。涡线和涡管的强度都定义为绕涡线或涡管的一条封闭围


线的环量。涡量在一个截面上的面积分称为涡通量。



20


、



沿平面上一封闭围线



L


做速度的线积分,所得的环量等于曲线


所围面积上每个微团角速度的


2


倍乘以微团面积之和,即等于


通过面积


S


的涡通量。



21


、



当无 涡线穿过给定曲线


L1


时,沿


L1


的速度环量


Γ


1


等 于零;


当有涡线穿过给定曲线


L2


时, 沿


L2


的速度环量


Γ

< br>2


等于过曲


线所围面积内的涡通量,也等于该区域的涡强 度;如果曲线所


围面积内涡通量越大,则沿该曲线的速度环量越大,该区域内

< p>
涡的强度越大;过同一曲线上张开的不同曲面,其涡通量是相


同的,


都等于沿该曲线的速度环量,


都代表


s1


和



s2


面上旋涡


的强度;




22


、


< /p>


理想流中涡定理:沿涡线或涡管涡强不变;一根涡管在流体里


不可 能中断,可以伸展到无限远去,可以自相连接成一个涡环



< /p>


(不一定是圆环)


,


也可以止于边界


(固体的边界或自由边界如


自由液面)


。< /p>



23


、



开尔文


kelvin


定律(环量不变定律)


:



在理想流中,涡的强度

< p>
不随时间变化,既不会增强,也不会削弱或消失。



24


、



拉格 朗日


Lagrange


定律(涡量不生不灭定律)


:在理想流中,


流动若是无旋的则流场始终无旋,反之若流场在某一时刻有旋


则永远有旋。



25


、



亥姆 霍兹


Helmholtz


定律(涡线涡管保持定理)

< p>
:




在理想流体


中,构成涡线和涡管的流体质点,在以后运动过程中仍将构成


涡线和涡 管。



二、



边界层流动



1


、



流动雷 诺数


Re


是用以表征流体质点的惯性力与粘性力对比关


F


J



L



U



< br>LU




R


e



系的。



F




UL



2< /p>


、



高


Re


数下,


流体运动的惯性力远远大于粘性力。


这样研究忽略


粘性力的流动问题是有实际意义的。



3


、



理想流 体力学在早期较成功地解决了与粘性关系不大的一系列


流动问题(升力、波动等)


,但对阻力、扩散等涉及到粘性的问


题则与实际相差甚远,如达朗伯疑 题。



4


、



大量实验发现:


虽然整体流动的


Re< /p>


数很大,


但在靠近物面的薄


层流体内,流 场的特征与理想流动相差甚远,沿着法向存在很



< p>
大的速度梯度,粘性力无法忽略。这一物面近区粘性力起重要


作用的薄层称 为边界层(


Boundary layer


)


。



5


、



在远离 物体的理想流体流动区域可忽略粘性的影响,流动无旋


可按位势流理论处理


(位流区)


。


在靠近物面的薄层内粘性力的


作用不能忽略


(粘流区)


,

该薄层称为边界层。


边界层内粘性力


与惯性力同量级,流体 质点作有旋运动。



6


、



边界层 区与主流区之间无严格明显的界线,通常以速度达到主


流区速度的



0.99U


作为边界层的外缘。


由边界层外缘到物面的


垂直距离称为边界层名义厚度,


用


δ


表示。


在高


Re< /p>


数下,


边界


层的厚度远小于被绕流物体的 特征长度。



7


、



边界层位移厚度




8


、



边界层动量损失厚度



9


、



边界层能量损失厚度



10


、



边界 层:


N-S


方程化简为边界层方程



11


、



边界 层中的流体质点受惯性力、粘性力和压力的作用,其中惯


性力与粘性力的相对大小决定了 粘性影响的相对区域大小,或


边界层厚度的大小;粘性力的作用始终是阻滞流体质点运动 ,


使流体质点减速,失去动能;压力的作用取决于绕流物体的形


状和流道形状,顺压梯度有助于流体加速前进,而逆压梯度阻


碍流体运动。





12


、



边界层分离。分离点:





13


、


< /p>


边界层分离的必要条件是:存在逆压梯度和粘性剪切层。仅有


粘性 的阻滞作用而无逆压梯度,不会发生边界层的分离,因为


无反推力使边界层流体进入到外 流区。这说明,零压梯度和顺


压梯度的流动不可能发生边界层分离。只有逆压梯度而无粘 性


的剪切作用,同样也不会发生分离现象,因为无阻滞作用,运


动流体不可能消耗动能而滞止下来。在粘性剪切力和逆压梯度


的同时作用下才可能发生分 离。









14


、



由层流状态转变为湍流状态称为转捩。



15


、



由于 湍流的无规则脉动特性,流体微团将高能量带入到靠近壁


面处,


因此湍流流动在靠近壁面处的平均速度远大于层流流动,


即湍流边界层的速度分布比层流 边界层的速度分布饱满。湍流


与层流相比不容易分离,可使分离引起的压差阻力大大降低 。



三、



低速翼型





1


、



翼型的几何参数




2


、



NAC A


四位数翼型、


NACA


五位数翼型< /p>



3


、



在翼型平面上,


把来流


V

∞


与翼弦线之间的夹角定义为翼型的几


何迎角,简称迎角。 对弦线而言,来流上偏为正,下偏为负。



4


、



翼型绕 流视为平面流动,翼型上的空气动力简称气动力可视为


无限翼展机翼在展向取单位展长所 受的气动力。



5


、



当气流 绕过翼型时,在翼型表面上每点都作用有压强


p


(垂直


于翼面)和摩擦切应力



(与翼面相切)


,它们将产生一个合力


R


,

< br>合力的作用点称为压力中心,


合力在来流方向的分量为阻力


D(


或


X)


,在垂直于来流方向的分 量为升力


L


(或


Y

)


。






6


、



空气动力力矩取决于力矩点的位置。


如果取矩点位于压力中心:


力矩为零;取矩点位于翼型前缘:前缘力矩(规定使翼型抬头


为正、


低头为负)


;


取矩点位于翼型焦点


:


焦点或气动中心力矩。



7


、



焦点是 翼型上的某个固定点,是力矩不随迎角变化的点或翼型


升力增量的作用点,也称为翼型气 动中心。



8


、



薄


翼


型


的


气


动


中


心


为


0.25b


,


大


多


数


翼


型


的


气


动


中


心

< br>在


0.23b-0.24b


之间,层流翼型在

< p>
0.26b-0.27b


之间。



9


、



翼型无 量纲空气动力系数:升力系数、阻力系数、俯仰力矩系


数。




10


、


< /p>


低速翼型绕流流动特点:小迎角时,整个绕翼型的流动是无分


离的 附着流动,在物面上的边界层和翼型后缘的尾迹区很薄。


前驻点位于下翼面距前缘点不远 处,流经驻点的流线分成两部


分,一部分从驻点起绕过前缘点经上翼面顺壁面流去,另一 部


分从驻点起经下翼面顺壁面流去,在后缘处流动平滑地汇合后




下向流去。在上翼面近壁区的流体质点速度从前驻点的零值很


快加速到最大值,然后逐渐减速。根据


Bernoulli


方程,压力分


布是在驻点处压力最大,在最大速度点处压力最小,然 后压力


逐渐增大(过了最小压力点为逆压梯度区)


。随着迎角的 增大,


驻点逐渐后移,最大速度点越靠近前缘,最大速度值越大,上

下翼面的压差越大,因而升力越大。气流到后缘处,从上下翼


面平顺流出,因此后缘 点不一定是后驻点。



11


、



翼型 绕流气动力系数随迎角的变化曲线:升力系数曲线,阻力


系数曲线,力矩系数曲线。




12


、



在升 力系数随迎角的变化曲线中,在迎角较小时是一条直线,


这条直线的斜率称为升力线斜率 ,记为






13


、



对于 有弯度的翼型升力系数曲线是不通过原点的,通常把升力


系数为零的迎角定义为零升迎角



0


,而过后缘点与几何弦线成



0


的直线称为零升力线。对有弯度翼型



0


是一个小负数,一般

< br>弯度越大,




0


的绝对值越大。



14


、



当迎 角大过一定的值之后,就开始弯曲,再大一些,就达到了


它的最大值,

< br>此值记为最大升力系数


C


Lmax

,


这是翼型用增大迎


角的办法所能获得的最大升力系数,相 对应的迎角称为临界迎


角。过此再增大迎角,升力系数反而开始下降,这一现象称为


翼型的失速。这个临界迎角也称为失速迎角。




15


、


< /p>


最大升力系数、临界迎角和失速后的升力系数曲线受粘性影响


大:






16


、



阻力 系数曲线,存在一个最小阻力系数。在小迎角时,翼型的


阻力主要是摩擦阻力,阻力系数 随迎角变化不大;在迎角较大


时,出现了粘性压差阻力的增量,阻力系数与迎角的二次方 成


正比。



失速后,分离区扩及整个上翼面,阻力系数大增。


< p>
但


应指出的是无论摩擦阻力还是压差阻力都与粘性有关。因此,

< p>
阻力系数与


Re


数存在密切关系。




17


、



C< /p>


m


焦点


(


对


1


/


4


弦点取矩的 力矩系数


)


力矩系数曲线,


在失速迎角 以


下,基本是直线。如改成对实际的气动中心取矩,那末就是一


条平直线了。但当迎角超过失速迎角,翼型上有很显著的分离


之后,低头力矩大增,力矩 曲线也变弯曲。






18


、


< /p>


随着迎角增大,翼型升力系数将出现最大,然后减小。这是气


流绕 过翼型时发生分离的结果。翼型的失速特性是指在最大升


力系数附近的气动性能。



19


、



在一定迎角下,当低速气流绕过翼型时,过前驻点开始快速加


速减压到最 大速度点


(顺压梯度区)


,


然后开始减 速增压到翼型


后缘点处(逆压梯度区)


,随着迎角的增加,前驻 点向后移动,


气流绕前缘近区的吸力峰在增大,造成峰值点后的气流顶着逆


压梯度向后流动越困难,气流的减速越严重。这不仅促使边界


层增厚,变成湍 流,而且迎角大到一定程度以后,逆压梯度达


到一定数值后,气流就无力顶着逆压减速了 ,而发生分离。这


时气流分成分离区内部的流动和分离区外部的主流两部分。在


分离边界(称为自由边界)上,二者静压必处处相等。分离后


的主流就不 再减速不再增压了。分离区内的气流由于主流在自


由边界上通过粘性的作用不断地带走质 量,中心部分便不断有


气流从后面来填补,而形成中心部分的倒流。


20


、



根据库塔


—


儒可夫斯基升力环量定律,对于定常、理想、不可




压流动,在有势力作用下,直匀流 绕过任意截面形状的有环量


绕流,所受的升力为:




21


、


< /p>


在来流作用下,不管物体形状如何,只要环量值不为零,绕物


体就 会产生升力;反之只要环量值为零,则绕流物体的升力为


零。



22


、



库塔


-


儒可夫斯基后缘条件:


(

< p>
1


)对于给定的翼型和迎角,绕翼


型的环量值应正 好使流动平滑地流过后缘去。


(


2


)若 翼型后缘


角





0

,后缘点是后驻点。即


V


1


=V< /p>


2


=0


。


(


3


)若翼型后缘角



=0


,


后缘点的速度为有限值。即


V


1


=V


2


=V ≠0


。


(


4


) 真实翼型的后缘


并不是尖角,往往是一个小圆弧。实际流动气流在上下翼面靠

< p>
后很近的两点发生分离,分离区很小。所提的条件是:


p

< br>1


=p


2








V


1


=V< /p>


2


。



23


、



环量 产生的物理原因:处于静止状态,绕流体线的速度环量为


零;当翼型在刚开始启动时,粘 性边界层尚未在翼面上形成,


绕翼型的速度环量为零,


后驻点不 在后缘处,


而在上翼面某点,


气流将绕过后缘流向上翼面;随时 间的发展,翼面上边界层形


成,下翼面气流绕过后缘时将形成很大的速度,压力很低,从


后缘点到后驻点存在大的逆压梯度,造成边界层分离,从产生


一 个逆时针的环量,称为起动涡;起动涡随着气流流向下游,


封闭流体线也随气流运动,但 始终包围翼型和起动涡,根据涡




量 保持定律,必然绕翼型存在一个顺时针的速度环量,使得绕


封闭流体线的总环量为零。< /p>


这样,


翼型后驻点的位置向后移动。


只要 后驻点尚未移动到后缘点,翼型后缘不断有逆时针旋涡脱


落,因而绕翼型的环量不断增大 ,直到气流从后缘点平滑流出


(后驻点移到后缘为止)为止。



24


、



流体 粘性和翼型的尖后缘是产生起动涡的物理原因。绕翼型的


速度环量始终与起动涡环量大小 相等、方向相反。



25


、



对于 一定形状的翼型,只要给定绕流速度和迎角,就有一个固


定的速度环量与之对应,确定的 条件是库塔条件。



26


、



如果 速度和迎角发生变化,将重新调整速度环量,以保证气流


绕过翼型时从后缘平滑汇合流出


(


前驻点则变化


)

。



27


、



代表 绕翼型环量的旋涡,始终附着在翼型上,称为附着涡。根


据升力环量定律,


直匀流加上一定强度的附着涡所产生的升力,


与直匀流中一个有环量的翼型绕 流完全一样。



28


、



对于薄翼而言,升力线的斜率与翼型的形状无关:




dC


L



< /p>


2



d




29


、



绝对迎角为


V


∞


与零升 力线间的夹角,


用


α


a



表示


,


即:



α


a


=


α


-


α


0



1


C


C




30


、



C


m



~


C


L



也是一条直线,


斜率






m










,



截距为



C


m0


。


C


m0


4


L




为零升力矩系数。




31


、



1< /p>


/


4


弦点就是薄翼型气动中心的位置,< /p>


是薄翼型升力增量的作用


点。



32


、



翼型 的升力特性通常指升力系数与迎角的关系曲线。实验和计


算结果表明,在小迎角下,升力 系数与迎角为线性关系:




33


、



在失 速迎角处,升力系数达到最大


C


Lmax


。确定升力特性曲线的


三个参数是,升力线斜率,零升迎角,最大升力系数(失速迎< /p>


角)


。



34


、



升力 线斜率与


Re


数关系不大,


主要与翼型 的形状有关。


对薄翼


的理论值为


2



。



35


、



零升 迎角


α


0


主要与翼型弯度有关,正弯度 时为一小负数。



36


、



最大 升力系数


C


Lmax


主要与边界层分离 有关,


取决于翼型几何参


数、


Re


数、表面光洁度,随


Re


增大而增大。





37


、



翼型 纵向力矩特性通常用


C


m


-

< p>
C


L


曲线表示


,


迎角不大时也接近


一条直线:




对于正弯度的翼型


C


m0



为一个小负数;


力矩曲 线斜率也是负值。


薄翼理论可以估计这两个值,


C


m0


与翼型弯度函数有关,


力矩曲

< br>线斜率为


-0.25


。



38


、



翼型 上升力的作用点


(


升力作用线与弦线的交点

)


为压力中心



x


p


P


,弦向位置用



x



p










表示,小迎角时压心位置为



b


C


m


C


m

< p>
o



C


x






C


m



p


C


L


C


L< /p>


L


迎角越小,压力中心越靠后。



39


、



翼型 上还存在这样的一个点,对该点的力矩系数与升力的大小


无关,恒等于零升力矩系数,此 点称为焦点(或气动中心)


F


。


气动中 心反映了翼型随迎角变化而引起的升力增量的作用点,


正弯度时,


压力中心位于焦点之后。


(


如何证明焦点对给定翼型


是一个固定点——作业题


1


)

< br>


40


、


翼型阻力包括摩擦阻力和压差阻力。翼型阻力的产生实质是空


气粘性引起的。摩擦阻 力是物面上直接的摩擦切应力引起的,


压差阻力是因物面边界层改变了压强分布造成的。 迎角不大时


主要是摩擦阻力,随迎角增大压差阻力剧增。



41


、



翼型 的阻力特性可用


C


D


-


α


曲线表示,


但在飞机设计上常用

C


L


-C


D


-


-


-


-


-


-


-


-