飞机原理与构造第二讲低速空气动力学基础

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空气的基本性质
㈤ 散逸层
大气结构
热层顶界以上为散逸层，又叫外层。在此层内，空气极其稀薄， 又远离地面，受地球引力很小，因而大气分子不断地向星际空间逃 逸。这层内的大气质量只有整个大气质量的10－11，大气外层的顶界 约为2000～3000 km的高度。
根据宇宙火箭探测资料表明，地球大气圈之外，还有一层极其 稀薄的电离气体，其高度可延伸到22000 km的高空，称之为地冕。 地冕也就是地球大气向宇宙空间的过渡区域，人们形象地把它比作 是地球的“帽子”。
运动 自转、公转
阿波罗飞船看到的地球
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地球升起在月球的地平线上 4
空气的基本性质
大气
垂直方向上特性变化显著
（密度、温度、压强、…）
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10km高度
ρ≈1/3 ρ0 p≈1/4 p0
100km高度
ρ≈ 4×10-7 ρ0 p≈ 3×10-7 p0
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空气的基本性质
大气结构
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一般认为液体是不可压缩的，气体是可压缩的 17
空气的基本性质
大气的物理性质
5、 声速
声速是指声波在物体中传播的速度。 声速的大小和传播介 质有关。在水中的声速大约为1440米/秒；而在海平面标准状态 下，在空气中的声速仅为341米/秒。由此可知介质的可压缩性 越大，声速越小（如空气）；介质的可压缩性越小，声速越大 （如水）。
它表述了流体的流速与流管截面积之间的关系。即截面 积小的地方流速大，截面积大的地方流速小。
例如在河道窄的地方，水流得比较快；而在河 道宽的地方，水流得比较慢。
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低速气流的特性 伯努利方程
在能量守恒定理描述流体流速与压强之间的
关系。在管道中稳定流动的不可压缩理想流体，
在管道各处的流体动压和静压 1 v 2 之和应始终保
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低速气流的特性
2、 流场
我们把流体所占据的空间称为流场。用以表示流体特性的物 理量（称为流体的运动参数），如速度、温度、压强、密度等。 所以，流场又是分布上述运动参数的场。
3、 定常流动与非定常流动
流场液体运动参数不仅随位置不同而不同，而且随时间变化 而变化，则该流动称为非定常流动。
流场流体运动参数只随位置改变而与时间无关，则称为定常 流动。
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空气的基本性质
对流层的特点：
大气结构
一、对流层包含了大气层质量 四分之三的大气，气 体 密度最大，大气压力也 最 高；
二、气温随高度升高而逐渐降 低；
三、空气上下对流剧烈，风向 风速经常变化；
四、有云、雨、雾、雪等天气 现象。
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空气的基本性质
㈡ 平流层
大气结构
因此流体不能穿出或穿入流管表面。充满在流管内
的流体，称为：流束。
流管
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低速气流的特性
相对运动原理
飞机以一定速度作水平直线飞行时，作用在飞机 上的空气动力与远前方空气以该速度流向静止不动的 飞机时所产生的空气动力效果完全一样。这就是飞机 相对运动原理。
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相对运动原理 27
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空气的基本性质
中间层的特点：
大Biblioteka Baidu结构
一、所含大气质量只占大气 总质量的 1/3000 左右；
二、气温随高度升高而下降；
三、含有大量的臭氧。
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空气的基本性质
㈣ 热层
大气结构
从中间层顶部到高出海平面800 km之间的一层称为热层，又叫 电离层。这一层空气密度很小，在700 km厚的气层中，只含有大气 总质量的0.5％。在120 km的高空，声波已难以传播；270 km高空， 大气密度只有地面的一百亿分之一，热层中气温很高，且随高度增 高而上升。在300 km高度上，气温高达1000℃以上。热层空气由于 直接受到太阳短波辐射，处于高度电离状态，所以这一层又叫做电 离层。
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空气的基本性质
国际标准大气
2、海平面大气物理属性
高度 H 密度 ρ 温度 T 压强 p 声速 a(c) 粘度 μ 标准重力加速度 g 气体常数 R
0 1.225 288.15 101325 340.294 1.7894×10-5 9.80665 287.05278
m kg/m3 K Pa m/s Pa·s m/s2 J/(kg·K)
飞机原理与构造 第二讲
第二章 低速空气动力学基础
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第二章 低速空气动力学基础
一、空气的基本性质 二、低速气流的特性 三、机翼的外形参数 四、翼型的升力和阻力 五、机翼的三元效应 六、改善翼型形状对升力系数的影响
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空气的基本性质
定义：飞行器飞行时所处的环境
条件，称为飞行环境
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空气的基本性质
大气的物理性质
1、 大气的状态参数和状态方程
大气的状态参数是指压强P、温度T 和密度ρ 这三个参数。它们之间的关系 可以用气体状态方 程表示，即如右：
密度 温度 压强 声速 粘度
符号
单位
ρ
kg/m3
T
K
p
Pa
c(a)
m/s
μ
Pa·s
流动流体的物理量和参数
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空气的基本性质
国际标准大气
由来：
大气参数随着地理位置、距离地面高度和季节等因素而变化，飞机的 空气动力和飞行性能随之变化。
提出：
“模式大气”， 依据实测资料（北方、中纬度地区），用简化方式近 似地表示大气温度、压力和密度等参数的平均值——国际标准大气。
1、基本假设
大气是静止的，空气是干燥洁净的理想气体， 在规定温度随高度的变化规律和海平面的温度、压力和密度初始值后， 通过对大气静力方程和气体状态方程的积分，获得压力和密度的数据。
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空气的基本性质
大气的物理性质
4、 可压缩性
流体是气体（如空气）和液体（如水）的统称。 流体可压缩性是指流体的压强改变时其密度和体积也改变的 性质。
当气流速度较小时，压强和密度变化很小，可以不考虑 大气可压缩性的影响。但当大气流动的速度较高时，压强和 速度的变化很明显，就必须考虑大气可压缩性。
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空气的基本性质
大气的物理性质
根据马赫数的大小，可以把飞行器的飞行速度 划分为如下区域
Ma≤0.4, 0.4<Ma≤0.85, 0.85<Ma≤1.3, 1.3<Ma≤5.0, Ma>5.0，
为低速飞行； 为亚声速飞行； 为跨声速飞行； 为超声速飞行； 为高超声速飞行。
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质量守恒与连续方程
取横截面A1和A2，假设在流管中流动的流体质量 既不会穿越流管流出，也不会有其它流体质量穿越流 面流入，则通过流管各截面的质量流量必须相等。
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气流在变截面管道内的流动情况 29
低速气流的特性
质量守恒与连续方程
在单位时间内，流过变截面管道中任意截面处的气
体质量都应相等，即 1 v 1 A 1 2 v 2 A 2 3 v 3 A 3 常 数 。该
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空气的基本性质
大气的物理性质
2、 连续性
在研究飞行器和大气之间的相对运动时，气体分子 之间的距离完全可以忽略不计，即把气体看成是连续的 介质。这就是在空气动力学研究中常说的连续性假设。
3、 粘性
大气的粘性力是相邻大气层之间相互运动时产生 的牵扯作用力，即大气相邻流动层间出现滑动时产生 的摩擦力，也叫做大气的内摩擦力。 在常温下，水 的内摩擦系数为1.002×10-3 Pa·s，而空气的内摩 擦系数为1.81×10-5 Pa·s，其值仅是水的1.81％。
如：大气、压强、密度、温度、 湿度、风、雨、雪、云、雾、…
飞行环境对飞行器的飞行轨 迹、结构、元件、材料、飞行性 能以及作战效率等都有十分明显 的影响。
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空气的基本性质 地球
椭球体
半长轴(赤道半径) 6378.1 km
半短轴(极半径) 6356.8 km
质量
5.977×1021 t
式称为可压缩流体沿管道流动的连续性方程。 当气体以低速流动时，可以认为气体是不可压缩
的，即密度保持不变。则上式可以写 成 v 1 A 1 v 2 A 2 v 3 A 3 常 数 。该式称为不可压缩流体沿 管道流动的连续性方程。
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低速气流的特性 质量守恒与连续方程
连续性方程的物理意义
三、平流层大气主要是水平方向 的流动，没有上下对流。
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空气的基本性质
㈢ 中间层
大气结构
平流层之上，到高于海平面50～85 km的一层为中间层。 含有大量的臭氧，气温随高度的增加而下降得很快，到顶 部气温降至160～190 K。下层气温比上层高，有利于空气 的垂直对流运动，又称为高空对流层或上对流层。中间层 顶部尚有水汽存在，可出现很薄且发光的“夜光云”，在 夏季的夜晚，高纬度地区偶尔能见到这种银白色的夜光云。
当所研究的问题不涉及压缩性，则建立的流体力学规律，既适 合于液体也适合于气体。当涉及压缩性时，气体和液体就必须分 别处理。气体虽然是可压缩的，但在许多工程中，气体的压力和 温度变化不大、气流速度远小于音速（如速度 v0.3M a）时。可 以忽略气体的压缩性，这时即把气体看作为不可压缩的流体。
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在对流层的顶部，直到 高于海平面约50km的这一层， 气流运动相当平稳，能见度 佳，平流层下端称同温层。 而且主要以水平运动为主， 故称为平流层。
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空气的基本性质
平流层的特点：
大气结构
一、平流层集中了全部大气质量 的四分之一不到的空气；
二、气温随高度的增加起初基本 保持不变（约为216K）,到 20～32km以上，气温升高较快， 到了平流层顶，气温升至 270～290 K。
流体在容器和管道中的流动情况 33
低速气流的特性
伯努利方程
伯努利方程演示
试验管道
气流
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低速气流的特性
低速气流：
流动速度v不大于0.3倍音速a（即v ≤0.3a或M ≤0.3， M=v/a为马赫数 ）的气流。
气流特性：
流动中的空气其压强、密度、温度及流管粗细同 气流速度之间的相互变化的关系。
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低速气流的特性
流场的概念
1、 流体
气体和液体统称为流体。气体和液体的共同特性是不能保持一 定形状，具有流动性。气体和液体的不同点表现在液体具有一定 的体积，不可压缩；而气体可以压缩。
根据大气中温度随高度的变化， 可将大气层分为五层：根据大气中 温度随高度的变化，可将大气层分 为五层：
㈠ 对流层
大 气
㈢ 中间层
的
㈡ 平流层
分
层
㈣ 热层
㈤ 散逸层
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大气层分布
空气的基本性质
㈠ 对流层
大气结构
大气中最低的一层， 受地面的影响最大。地 面附近的空气受热上升， 位于上面的冷空气下沉， 进而发生对流运动，对 流层赤道区16~18km,中 纬度区9~12km,南北极 7~8km; ¾的大气质量， 几乎全部的水汽，有天 气变化
声速随着温度的变化而变化。在对流层中，气温随高度而 降低，声速也随着降低，在11 000 m，声速降低到 296 m/s。
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空气的基本性质
大气的物理性质
6、 马赫数
马赫数Ma的定义为
式中v表示在一定高度下飞行器的飞行速度，a则表示该处 的声速。 飞行器飞行速度越大，Ma就越大，飞行器前面的 空气就压缩得越厉害。因此，Ma的大小可作为判断空气受 到压缩程度的指标。
低速气流的特性
流体和连续介质假设
随着海拔高度的增加，空气密度变小，空气分子的自由 行程越来越大。
地面：气体分子自由行程约6×10-8 m 40km高度以下：可以认为稠密大气、连续 120~150km： 气体分子自由行程与飞行器相当 200km以上：气体分子自由行程有几公里
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低速气流的特性
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低速气流的特性
4、 流线
流线是流场中某一瞬间的一条空间曲线，在该线上各点的 流体质点所具有的速度方向与曲线在该点切线方向重合
流线与流谱
5、 流管与流束
在流场中任意画一封闭曲线，在该曲线上每一
点做流线，由这些流线所围成的管状曲面，称为： 流管 。
由于流管表面由流线所围成，而流线不能相交，
持不变即：
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静压+动压=总压=常数
如果用P代表静压，代表动压，则任意截面处
有：
P 11 2V 12P 21 2V 22常 数
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低速气流的特性
伯努利方程
伯努利方程的物理意义 该式表示流速与静压之间的关系，即流体流速增加，
流体静压将减小；反之，流动速度减小，流体静压将增加
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