飞机原理与构造第三讲低速空气动力学基础(2)

在后缘,气流形 成涡流区,空气 旋转、摩擦导 致动能损失、 压强减小p后。
2012/9/2
45
翼型的升力和阻力
压差阻力
压差阻力根本原因是空气的粘性。流线产生的压差阻力 较小，压差阻力也与物体表面的边界层状态。
驻点
驻点
假设空气没有粘性
2012/9/2
实际空气有粘性 46
翼型的升力和阻力
压差阻力
要减小压差阻力，应 尽可能将暴露在空气中的 各个部件或另件做成流线 形的外形，并减小迎风面 积。对不能收起的起落架 和活塞式发动机都应加整 流罩。
2012/9/2
25
翼型的升力和阻力
相对厚度对升力特性的影响：
相对厚度增加，最大升力系数增加，临界迎角减小。
相对厚度增加
2012/9/2
26
翼型的升力和阻力
翼型前缘半径对升力特性的影响：
前缘半径增加，临界迎角增加。
半径小
半径大
2012/9/2
27
翼型的升力和阻力
展弦比对升力特性的影响：
展弦比越高，最大升力系数越大，临界迎角越小。
2012/9/2
9
翼型的升力和阻力
失速
机翼的迎角大到 了一定程度，会发生 附面层分离，同时受 外层气流的带动，向 后下方流动，最后就 会卷成一个封闭的涡 流，叫做分离涡。
分离涡内气流压强增加,从而使得机翼上下表面压力差 “反向”,升力急剧下降、“反向”。导致飞机“掉高度”。
2012/9/2
10
翼型的升力和阻力
1 2 Y C y V S 2 Y Cy 1 V 2 S 2
2012/9/2
12
翼型的升力和阻力
升力公式的物理意义：
Cy
—飞机的升力系数
Y C y V S
1 2 2
1 2
V
S
2
—飞机的飞行动压 —机翼的面积
飞机的升力与升力系数、来流动压和机翼面积成正 比。升力系数综合的表达了机翼形状、迎角等对飞机升 力的影响。
升力曲线:
升力系数Cy与机翼迎角α 的关系曲线
一般当飞机的飞行高度和速度（马 赫数）一定时，升力系数随迎角的变化 如图所示，当迎角较小时可以写作.
Cy
C ym ax


cr
V
C y max C y ( 0 )

0
2012/9/2
V
V
0 0

V
cr cr

16
D T W
V
L
V
D

2012/9/2
一般按照产生的原因或 性质分为摩擦阻力、激波阻 力、压差阻力、诱导阻力、 干扰阻力等。
41
翼型的升力和阻力
飞机阻力
升力
合力 (总空气动力)
阻力
翼型的升力、阻力、总的空气动力 飞机运动方向
2012/9/2
飞机运动方向 42
翼型的升力和阻力
压差阻力：
空气流过机翼，前缘受到阻挡，流速减慢，压强增大； 在机翼后缘，压强减少，特别是在较大迎角下，由于气流 分离形成涡流区，在涡流区内压强减少较多，机翼前后产 生压强差，形成阻力，这种阻力叫做压差阻力。飞机的机 身、尾翼等部分都会产生压差阻力。

Vபைடு நூலகம்
0 0

V
cr cr

2012/9/2
17
翼型的升力和阻力
翼型的压力分布
矢量表示法
当机翼表面压强低于大气压，称为吸力。 当机翼表面压强高于大气压，称为压力。 用矢量来表示压力或吸力，矢量线段长 度为力的大小，方向为力的方向。
2012/9/2
18
翼型的升力和阻力
翼型的压力分布
驻点和最低压力点
2012/9/2
7
翼型的升力和阻力
飞机的升力
负的迎角
迎角有正迎角和负迎角， 气流的方向指向机翼的下翼 面，这时的迎角为正迎角， 飞机的平飞和飞机的爬升飞 行一般为正迎角飞行； 气流的方向指向机翼的 上翼面，这时的迎角为负迎 角，飞机低头飞行和飞机的 倒飞都是负迎角飞行。
2012/9/2
迎角
正的迎角
附面层发生分离机理简析
V后 V上 P后 P上
P上 V上
V前 V上 P前 P上
V=0 P上=Pt> P下 →-L
V前
P前
迎角增大
P下 L
V后 P后
2012/9/2
40
翼型的升力和阻力
飞机阻力:
飞机的阻力是平行 于来流的空气动力分量， 它产生的原因较升力复 杂的多。
R
L
阻力 D
31
翼型的升力和阻力
附面层
2012/9/2
32
翼型的升力和阻力
层流和紊(湍)流:
a 层流
b 层流开始破坏
c流动趋于紊流
d 紊流
细致地调节细管中红水的 流速，当它与主流管内水流速 度相近时，可以看到清水中有 稳定而清晰的红色水平流线， 表明这时主流管中各水层互不 干扰地流动。这种水流叫做层 流。
33
圆柱的流线谱
斜立平板的流线谱
机翼界面的流线谱
2012/9/2
47
翼型的升力和阻力
压差阻力
要减小压差阻力:维护使用中，要保持好飞机的外形， 不要碰伤飞机表面，各种舱的口盖应盖好，同时保持好飞机 的密封性。
2012/9/2
48
翼型的升力和阻力
压差阻力
流线形机身以减少压差阻力
2012/9/2
49
翼型的升力和阻力
ps1
ps2
V1
S1
S2
V2
机翼翼型的流线普
ps2> ps1
2012/9/2
3
翼型的升力和阻力
飞机的升力
飞机升力产生的原理——机翼上下表面的压力差
飞机升力的形成
2012/9/2
4
翼型的升力和阻力
飞机的升力
增加升力↔增加机翼上、下表面压力差：
L
主要有两条途径: ——增大上缘(上弧线)曲率； ——飞机以一定的迎角飞行。
飞机原理与构造
第三讲
第二章 低速空气动力学基础（续）
2012/9/2
1
翼型的升力和阻力
飞机的升力
升力垂直于飞行速度方向，它将飞机支托在空中，克 服飞机受到的重力影响，使其自由翱翔。
升力
Lift
拉力
阻力
Pull
Drag
重力
Weight
2012/9/2
2
翼型的升力和阻力
飞机的升力
飞机升力产生的原理——机翼上下表面的压力差 机翼上、下表面 出现了压力差。并将 垂直于相对气流方向 （或垂直于飞机运动 方向）压力差的总和 （集合），叫做机翼 的升力。
吸力
压力
2012/9/2
22
翼型的升力和阻力
压力中心（CP）位置随迎角改变的变化
2012/9/2
23
翼型的升力和阻力
压力中心（CP）位置随迎角改变的变化
2012/9/2
24
翼型的升力和阻力
影响升力大小的因素
1、机翼面积(S) 机翼面积越大，则机翼上、下表面压力差的总和越大，所 以升力也就越大。升力与机翼面积成正比。 2、翼型 翼型不同所产生的流线谱也就不同，因此所产生的升力也 就不同（机翼上下表面） 1）翼型相对厚度（c） 2）最大厚度位置（Xc） 3）相对弯度(f)
ps1
ps2
S1
V1
S2
V2
2012/9/2
5
翼型的升力和阻力
飞机的升力
迎角: 定义为气流速度矢量与翼弦之间的夹角，当气
流吹向下翼面时为正，如图所示。
L
R
V
D

2012/9/2
6
翼型的升力和阻力
飞机的升力 迎角: 定义为气流速度
矢量与翼弦之间的夹 角，当气流吹向下翼 面时为正，如图所示。
不同于飞机的姿态
翼型的升力和阻力
Cy-α曲线的特点:
Cy
Cy=0 的迎角 ( 用 α0 表示 ) 一 般为负值(0º ~4º )；

Cymax
Cy-α 曲线在一个较大的范 围内是直线段；


V
0
cr
V
Cy 有一个最大值 Cy max ，而 在接近最大值 Cy max 前曲线上升 的趋势就已减缓
A点，称为驻点，是正压最大的点，位于机翼前缘附 近，该处气流流速为零。 B点，称为最低压力点，是机翼上表面负压最大的点。
2012/9/2
19
翼型的升力和阻力
翼型在不同迎角下的压强分布
2012/9/2
20
翼型的升力和阻力
翼型在不同迎角下的压强分布
2012/9/2
21
翼型的升力和阻力 压力中心：
升力作用线与翼弦的交点。
层流时，液体流速较低，质点受粘性制约，不能随 意运动，粘性力起主导作用；
紊流时，液体流速较高，粘性的制约作用减弱，惯 性力起主导作用。
液体流动时，究竟是层流还是紊流，要用雷诺数来 判定。
2012/9/2
35
翼型的升力和阻力
实验表明真正决定液流流动状态的是用管内的平均流速 V、液体的运动粘度μ 、管径d 三个数所组成的一个称为雷 诺数Re的无量纲数，即
失速
事实上，飞机在 任何情况下都可能失 速，例如对正在高速 飞行的特技飞机用机， 突然猛拉操纵杆就很 容易失速。或进入风 切变区的飞机，由于 气流作垂直运动，也 可能导致迎角突然增 大至超过“临界点” 而失速。
F22飞行失速训练
2012/9/2
11
翼型的升力和阻力
升力计算
翼型和迎角对升力的 影响可以通过升力 系数Cy表现出来。升 力公式可以写为
Vx
层流附面层
紊流附面层
转捩点(区)
2012/9/2
37
翼型的升力和阻力
附面层：层流，转捩区、紊流。
2012/9/2
38
翼型的升力和阻力
附面层发生分离机理简析
V前 V上 P前 P上
顺压流动
V上 P上 V前 P前
升力
V后 V上 P后 P上
迎角
2012/9/2
V后 P后
39
翼型的升力和阻力
Re
Vd
d
V

雷诺数的物理意义：影响液体流动的力主要有惯性力和粘性力， 雷诺数就是惯性力对粘性力的无因次比值。 上临界雷诺数 下临界雷诺数
2012/9/2
36
翼型的升力和阻力
附面层：
在附面层中，开始 的流动很有层次，又叫层 流，然后就会混乱，也叫 紊流，再往后就会分离。 附面层内的流动状态如何 与空气动力关系极大，尤 其是附面层出现分离后， 升力会急剧下降，阻力猛 增。飞行状态会因此受到 影响。
展弦比高
展弦比低
2012/9/2
28
翼型的升力和阻力
后掠翼对升力特性的影响：
平直机翼的最大升力系数更大，升力系数曲线斜率越大，临 界迎角越小。
平直机翼
后掠翼
2012/9/2
29
翼型的升力和阻力
翼型前缘粗糙度对升力特性的影响：
翼型前缘越光滑，最大升力系数越高，临界迎角越大。
光滑 粗糙
2012/9/2
2012/9/2
翼型的升力和阻力
层流和紊(湍)流:
层流：液体质点互不干扰，液体的 流动呈线性或层状，且平行于管道 轴线；
紊流：液体质点的运动杂乱无章， 除了平行于管道轴线的运动以外， 还存在着剧烈的横向运动。
2012/9/2
34
翼型的升力和阻力
层流和紊(湍)流:
层流和紊流是两种不同性质的流态。
2012/9/2
43
翼型的升力和阻力
压差阻力


运动着的物体前后所形成的压强差所产生的 同物体的迎风面积、形状和在气流中的位置都有很大的关系
44
2012/9/2
翼型的升力和阻力
压差阻力
飞机相对气流的速度越大，机翼等部件的前、 后气流压差越大，因此压差阻力越大。
在前缘,气流受阻,流速 变慢,压强增大p前
8
翼型的升力和阻力
失速


通常，机翼的升力与迎角成正比。迎角增加，升力随之增大(图1、2)。当 迎角增大到某一值时，则相反，迎角增加升力反而急剧下降。这个迎角称 为临界迎角。 当机翼迎角超过临界点时，流经上翼面的气流会出现严重分离，形成大量 涡流，升力下降，阻力急剧增加。飞机减速并抖动，各操纵面传到杆、舵 上的外力变轻，随后飞机下坠，机头下俯，这种现象称为失速。

由空气的粘性造成 附面层 ( 层流附面层、紊流附面层 ) 层流流动，摩擦阻力小；紊流流动，摩擦阻力大的多 ，尽 量使物体表面的流动保持层流状态
51
2012/9/2
翼型的升力和阻力
迎面阻力：
摩擦阻力和压差阻力合起来叫做“迎面阻力”，一个 物体究竟哪种阻力占主要部分，主要取决于物体的形状。 对于流线体，迎面阻力中主要是摩擦阻力。 远离流线体的式样，压差阻力占主要部分，摩擦阻力 则居次要位置，且总的迎面阻力也较大。
30
翼型的升力和阻力
附面层：
空气是有粘性的，当气流流过一个物体时，紧贴物体表面的那 层空气必然完全粘在上面，速度变为零，然后流速一点点增大，直 到基本恢复到原来的流速发生变化的空气层就叫附面层或边界层。 附面层的厚度很薄，而且与物面的长度成正比，即物面长度越大， 附面层越厚。
n 0.99V V
2012/9/2
2012/9/2
13
翼型的升力和阻力
烟风洞翼型绕流实验
小迎角
较大迎角
大迎角
2012/9/2
14
翼型的升力和阻力
升力系数随迎角的变化规律：
当α<α临界，升力系数随迎
角增大而增大。
当α=α临界，升力系数为最
大。
当α>α临界，升力系数随迎
角的增大而减小，进入失速 区。
2012/9/2
15
翼型的升力和阻力
摩擦阻力：
空气流过飞机时，由于空气有粘性，在贴近 飞机表面的地方形成附面层。在附面层内．特别 是附面层底层有显著的速度梯度，因此在飞机表 面就存在摩擦力，其方向切于物面。飞机表面各 处摩擦力在相对气流方向上的投影的总和，就是 整个飞机的摩擦阻力。
2012/9/2
50
翼型的升力和阻力
摩擦阻力
附面层