第11章_飞艇空气动力学(2).

3.2 不同外形的阻力比较
球形阻力系数
圆球绕流实验给出的不同Re数下的阻力系 数
球形阻力系数
圆球绕流阻力系数随Re数变化的函数曲线
球形阻力系数
圆球绕流实 验给出的不 同Re数下 的阻力系数
在临界雷诺数(2.7e5)附近，由于边界层转捩， 阻力系数突然降低到一个最小值，之后随着 雷诺数继续增大，阻力系数逐渐回升。
飞艇的整体外形是细长 体，这就是一种低阻力 设计，因为细长体外形 的压差阻力较小，而且 长细比越大，压差阻力 越小。
阻力与低阻力外形
另一方面，长细比越大， 同样体积外形的表面积 越大，带来的摩擦阻力 也就越大。
阻力与低阻力外形
总阻力随长细比的变化趋 势： 1）当长细比较小时，压 差阻力的影响是主要的；
阻力与低阻力外形
根据实验数据整理得到 利用飞艇长细比f和雷诺 数Re近似估算阻力系数 的公式为：
1/ 6 CD 0.172 f 1 3 0.252 f 1.2 1.032 f 2.7 Re
阻力与低阻力外形
根据飞艇设计经验得到 的仅由长细比f近似估算 阻力系数的公式为：
CD 0.23175 0.15757 f 0.04744 f 2 7.0412 103 f 3 5.1534 104 f 4 1.4835 105 f 5
阻力与低阻力外形
右图中实线是按设计经 验公式计算所得，虚线 是按实验整理公式计算 所得（对应三个不同 Re），圆点是求出阻力 后，按飞艇阻力系数定 义公式计算所得。
CD
D 1 2/ 3 airV 2Vas 2
阻力与低阻力外形
由右图可见：
1）随着长细比的增大， 阻力系数先是迅速减小， 随后又缓慢增加，大约 在4～6之间最低。
升力、力与力矩
飞艇受到的力矩主要包括：滚转力矩L，俯仰力矩M，偏 航力矩N。
升力、力与力矩
阻力与低阻力外形
由右图可见：
2）设计经验公式适用于 长细比大于4的情况。经 典飞艇的长细比一般在 4～6之间，阻力系数一 般在0.02~0.03之间。
阻力与低阻力外形
由右图可见：
3）由于高空飞艇的雷诺 数通常在107左右，所以 阻力系数一般小于0.02。
阻力与低阻力外形
阻力与低阻力外形
由上表可见，来自于艇身的阻力占到了总阻力的一半左右。 为了降低飞艇的阻力，常常将艇身设计成低阻力外形。
利用遗传算法 进行飞艇外形 的优化迭代
(c) 迭代步500
飞艇外形优化的迭代过程示意图
阻力与低阻力外形
利用遗传算法 进行飞艇外形 的优化迭代
(d) 迭代步5000
飞艇外形优化的迭代过程示意图
阻力与低阻力外形
经过外形的优化设计，可以使飞艇的 阻力系数相对椭球外形的减小16%
阻力与低阻力外形
飞艇外形优化的影响因素示意图
阻力与低阻力外形
总阻力随长细比的变化趋 势： 2）随着长细比的增大， 摩擦阻力增大，但压差阻 力的减小导致总阻力减小。
阻力与低阻力外形
总阻力随长细比的变化 趋势： 3）当长细比增大到一定 程度后，艇身的表面积 变得足够之大，以至于 摩擦阻力的增加与压差 阻力的减少相当，当两 者恰好相等时，总阻力 即为最小。
阻力与低阻力外形
对于飞艇来说，压 差阻力和摩擦阻力 所占比重相当，不 适合以某种实际面 积定义阻力系数。
阻力与低阻力外形
对于飞艇来说，通常使 用体积的2/3次方定义飞 艇的阻力系数。如：
CD
D 1 2/ 3 airV 2Vas 2
式中，V是飞艇与空气 的相对速度；Vas是艇身 的体积。
阻力与低阻力外形
升力、力与力矩
L C 飞艇升力系数的计算公式为： L 1 23 airV 2Vas 2
V为飞艇相对风的速度，Vas为飞艇的体积。
升力、力与力矩
飞艇受到的力主要包括：重力，浮力，气动升力，阻力， 推力。
升力、力与力矩
坐标原点固定在飞艇的体积中心（即浮心），轴向、侧 向和法向分别定义为x轴、y轴和z轴，气动力为X,Y,Z， 气动力矩为L,M,N。
第11章 飞艇空气动力学(2)
3 飞艇常规空气动力学问题
3.1 阻力与低阻力外形
阻力与低阻力外形
飞艇在空气中飞行 受到的阻力来自于 两方面，即压差阻 力和摩擦阻力。
阻力与低阻力外形
对于压差阻力为主 的流动，通常使用 参考面积定义阻力 系数。
阻力与低阻力外形
对于摩擦阻力为主 的流动，通常使用 表面积定义摩擦阻 力系数（如平板阻 力系数）。
阻力与低阻力外形
上图为英国国家物理实验室(NPL)研究的低阻力艇身轮廓 百度文库，由两段椭圆组成。
阻力与低阻力外形
利用遗传算法 进行飞艇外形 的优化迭代
(a) 迭代步0
飞艇外形优化的迭代过程示意图
阻力与低阻力外形
利用遗传算法 进行飞艇外形 的优化迭代
(b) 迭代步40
飞艇外形优化的迭代过程示意图
阻力与低阻力外形
阻力与低阻力外形
总阻力随长细比的变化 趋势： 4）此后，随着长细比继 续增大，摩擦阻力的增 加超过了压差阻力的减 小，总阻力增大。
阻力与低阻力外形
因此，需要折衷取某种 适当的长细比，使得总 阻力最小。
阻力与低阻力外形
一般对于小型软式飞艇， 最佳长细比在4:1左右， 而对于大型硬式飞艇， 最佳长细比在6:1或7:1左 右。
球形阻力系数
圆球绕流实 验给出的不 同Re数下 的阻力系数
雷诺数增大到1.5e6以上，阻力系数维持在 0.2左右基本不变。
球形阻力系数
圆球绕流实 验给出的不 同Re数下 的阻力系数
飞艇的雷诺数为1.0e6量级，取阻力系数为 0.2，估算球形阻力
不同外形阻力比较
不同外形阻力比较
可见，不论体积固定还是表面积固定，都是球形阻力最 大，椭球形的阻力最小，碟形居中。碟形阻力随厚径比 的减小而减小。
3.3 升力、力与力矩
升力、力与力矩
飞艇的升力（或称动升力）是指气流作用在飞艇表面 （包括艇身和尾翼）的力在垂直于来流方向上的分量。
升力、力与力矩
飞艇的升力主要有两种来源，一个是艇身带攻角飞行时 产生的升力（由飞艇上下表面压力差引起），另一个是 飞艇尾翼产生的升力。
升力、力与力矩
飞艇的升力与飞艇受到的浮力相比小得多，但有着不可 替代的作用，比如平衡称量重量，飞艇姿态控制等。