空气动力学与飞行器设计
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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
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
现代飞行器的主要特点(续)
先Hale Waihona Puke Baidu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
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？
飞行中的力学现象
阻力的产生
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。
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3~5架原型机进行实验。
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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
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
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
控 制间
钳 工间
去圬 池
空
NH-1风洞实验大厅
压 机
真空泵房 南航高超声速风洞 房
(NHW)
南航高超声速风洞(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：
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
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)
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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
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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 Analysis
I. M=0
II. M<1
飞行中的力学现象 典型流动现象(I)
III. M=1
IV. M>1
飞行中的力学现象 典型流动现象(I)
• 激波 • 激波前后流场
物理量的变化
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)
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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。
“眼镜蛇”机动
眼镜蛇机动
眼镜蛇机动
飞行中的力学现象 超机动飞行
SU-37超机动表演
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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 )
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
真 空球罐
卫
数 采间
生
间
消音 池 阀门 间
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？
飞行中的力学现象
升力的产生(1)
速度与压力的关系：伯努利公式
P U 2 常数
2
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。
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
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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
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
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
现代飞行器的主要特点(续)
先Hale Waihona Puke Baidu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
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？
飞行中的力学现象
阻力的产生
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。
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3~5架原型机进行实验。
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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
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
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
控 制间
钳 工间
去圬 池
空
NH-1风洞实验大厅
压 机
真空泵房 南航高超声速风洞 房
(NHW)
南航高超声速风洞(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：
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
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)
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
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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 Analysis
I. M=0
II. M<1
飞行中的力学现象 典型流动现象(I)
III. M=1
IV. M>1
飞行中的力学现象 典型流动现象(I)
• 激波 • 激波前后流场
物理量的变化
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)
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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。
“眼镜蛇”机动
眼镜蛇机动
眼镜蛇机动
飞行中的力学现象 超机动飞行
SU-37超机动表演
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 )
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
真 空球罐
卫
数 采间
生
间
消音 池 阀门 间
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？
飞行中的力学现象
升力的产生(1)
速度与压力的关系：伯努利公式
P U 2 常数
2
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。
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
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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