第一章-1飞行动力学-空气动力学详解

2015，3

第一章飞行动力学

空气动力学

与

飞行力学初步知识

北京航空航天大学自动化学院

引言

⏹飞行控制系统

飞行器++控制系统 闭合回路系统

飞行器

⏹飞行器

空气中的运动体，一个复杂的被控对象，要想控制它，需要了解气流特性与飞行器在气流中飞行时的特性

⏹飞行力学：

研究飞行器在大气中飞行时的受力与运动规律，建立飞行器动力学方程(需要空气动力学的基础知识)⏹空气动力学

特性，飞行器设计的理论基础研究空气的流体

研究空气的流体特性，飞行器设计的理论基础

本节课内容

⏹第一节空气动力学的基本知识

⏹第二节飞行器运动参数与操纵机构

⏹第三节空气动力与气动系数

⏹参考文献：飞行控制系统，张明廉著（电子扫描版）

第一节空气动力学的基本知识

一、流场

⏹流场的流场的定义定义

可流动的介质（水，油，气等）称为流体，流体所占据的空间称为流场。

⏹

流场的描述

流体流动的流体流动的速度速度、、加速度加速度以及流体状态参数（以及流体状态参数（密度密度p p 、压强p 、温度、温度T T 等）—几何位置与时间的连续函数

所研究的气流速度、加速度、密度、压强、温度等物理量，是统计意义上的气体分子群参数，而不是单个分子行为的描述。

流体微团流体微团::描述流场中某点的流速和状态参数时描述流场中某点的流速和状态参数时,,是指以该点为中心的一个很小邻域中的分子群。

空气分子间的自由行程与飞行器相比较太小，可忽略

一、流场（续）

（1）流线：

流体微团流动形成的轨线

特性：流线不相交、流体微团不穿越流线

（2）流管：

多条流线围

多条流线围成管状，

成管状，管内流体不会流出，管外流体也不会流入

（3）定常流（定型流场）：

流场中各点的速度、加速度以及状态参数等只是几何位置的函数，与时间无关

空气动力学中的大部分问题是定常流问题（简化）（4）流动的相对性

物体静止，空气流动

物体运动，空气静止

相对速度相同时，流场中

空气动力相同

在流管上取垂直于流管中心线上流速方向的两个截面，截面I

截面

空气流动是连续的，处处没有空隙

三、伯努利方程

在定型流场中取一流管，任意截取相邻dS

相邻

pA

压力：

压力：pA

三、伯努利方程（续）根据牛顿第二定律

三、伯努利方程（续）

马赫数(⏹马赫数

五、弱扰动的传播

⏹

飞机在大气中飞行—扰动源⏹扰动源以速度扰动源以速度V V 在静止空气中运动，相当于扰动源静止而空气以速度气以速度V V 流动

1）扰动源扰动源V=0V=0，扰动以音速传播（图，扰动以音速传播（图a a ）

球面波，向四周传播

2）V

球面波球面波，，向后方传播

扰动源前方仍有少量传播

变化不大（图变化不大（图b b ）

3）扰动源与扰动波同时到达，

1

临界马赫数临界马赫数M M

⏹临界临界马赫数马赫数Mcr Mcr

翼面上最大速度处的流速=当地音速a时，远前方远前方的迎面气流速度的迎面气流速度V V ∝与远前方空气的音速前方空气的音速a a

∝之比

Mcr Mcr--每种机翼的特征参数

⏹迎面气流的迎面气流的M M 数超过数超过Mcr Mcr时，翼面上出现局部的超音速区，时，翼面上出现局部的超音速区，将产生局部激波，

⏹飞行速度定义

⏹

M<0.5M<0.5时为低速飞行；时为低速飞行；⏹

0.5

Mcr Mcr

1.55M>5为高超音速飞行为高超音速飞行

六、激波

⏹

气流以超音速流经物体时，流场中的受扰区情况与物体的形状有关，超音速—强扰动，产生强扰动，产生激波激波⏹激波实际上就是气流各参数的不连续气流各参数的不连续分界面分界面

在激波之前，气流不受扰动，气流速度的大小和方向不变，各状态参数也是常数；

气流通过激波，其流速突然变小，温度、压强、密度等也突然升高

⏹钝头物体的激波是脱体波（正激波），超音速气流瞬间变成亚音速，产生大波阻

⏹楔形物体的激波是倾斜的（附体波）

气流仍为超音速，或亚音速（与半顶角 相关相关））

波阻较小，用于超音速飞机的机头

马赫数表示空气受压缩的程度在伯努利公式推导中

可压缩性时，流管截面积增大

为正))的情时，流管截面积增大((dA dA为正

变小或增大,,与M数有关

变小或增大

的，叫膨胀波

常用的空气动力学的基本概念

⏹飞机与气流的相对作用

⏹马赫数M 与空速与空速V V 、音速、音速a a 的关系

⏹亚音速与超音速概念

⏹动压：1/2 V 2，评价飞行速度与压力的指标⏹超音速下的激波、膨胀波

⏹

伯努利方程方程: : 气流的静态方程气流的静态方程((亚音速飞行亚音速飞行))

第一节