空气动力学基础

第二章 第 7 页
●对相对气流的现实应用
直流式风洞
回流式风洞
第二章 第 8 页
●风洞实验段及实验模型
第二章 第 9 页
●风洞的其它功用
第二章 第 10 页
2.1.3 迎角
迎角就是相对气流方向与翼弦之间的夹角。
第二章 第 11 页
●相对气流方向就是飞机速度的反方向
第二章 第 12 页
●相对气流方向是判断迎角大小的依据
2.2.1 升力的产生原理
相同的时间，相同的起点和终点，小狗的速度和人 的速度哪一个更快？
起 点
终 点
第二章 第 40 页
●升力的产生原理
前方来流被机翼分为 了两部分，一部分从 上表面流过，一部分 从下表面流过。
由连续性定理或小狗 与人速度对比分析可 知，流过机翼上表面 的气流，比流过下表 面的气流的速度更快。
l


l
第二章 第 57 页

II. 附面层厚度随气流流经物面的距离增长而增厚。
l


l

第二章 第 58 页
III. 附面层的特点三
附面层分为层流附面层和紊流附面层，层流在前， 紊流在后。层流与紊流之间的过渡区称为转捩点。
转捩点 层流附 面层
紊流附面层
第二章 第 59 页
●层流的不稳定性
第二章 第 46 页
2.2.3 升力公式
L CL V S
1 2 2
CL
1 2
—飞机的升力系数
V
2
—飞机的飞行动压
—机翼的面积。
S
第二章 第 47 页
●升力公式的物理意义
L CL V S
1 2 2
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。

紊流附面层的摩擦阻力比层流附面层的大。 飞机的表面积越大，摩擦阻力越大。 飞机表面越粗糙，摩擦阻力越大。
第二章 第 64 页
●摩擦阻力在飞机总阻力构成中占的比例较大
摩擦阻力占总阻力的比例
超音速战斗机 大型运输机 小型公务机 25-30% 40% 50%
水下物体
船舶
70%
90%
第二章 第 65 页
1 2
v P P0
2
上式中第一项称为动压，第二项称为静压，第三项称为总压。
第二章 第 26 页
●伯努利定理
1 2
1 2 2
v P P0
2
v —动压，单位体积空气所具有的动能。这是一种附加的压
力，是空气在流动中受阻，流速降低时产生的压力。
P
P0
第二章 第 27 页
—静压，单位体积空气所具有的压力能。在静止的空气中， 静压等于当时当地的大气压。 —总压（全压），它是动压和静压之和。总压可以理解为， 气流速度减小到零之点的静压。
① 理想流体，不考虑流体粘性的影响。 ② 不可压流体，不考虑流体密度的变化，Ma<0.4。 ③ 绝热流体，不考虑流体温度的变化，Ma<0.4。
第二章 第 5 页
2.1.2 相对气流
相对气流方向 自然风方向
运动方向
第二章 第 6 页
●飞机的相对气流方向与飞行速度方向相反
只要相对气流速度相同，飞机产生的空气动力就相同。
第二章 第 20 页
●流线谱的特点
流线谱的形状与流动速度无关。 物体形状不同，空气流过物体的流线谱不同。 物体与相对气流的相对位置（迎角）不同，空气流
过物体的流线谱不同。
气流受阻，流管扩张பைடு நூலகம்粗，气流流过物体外凸处或
受挤压 ，流管收缩变细。
气流流过物体时，在物体的后部都要形成涡流区。
第二章 第 16 页
流管：由许多流线所围成的管状曲面。
第二章 第 17 页
●流线和流线谱
流线谱是所有流线的集合。
第二章 第 18 页
●流线和流线谱的实例
第二章 第 19 页
●流线的特点
该曲线上每一点的流体微团速度与曲线在该点的切线
重合。
流线每点上的流体微团只有一个运动方向。
流线不可能相交，不可能分叉。
② 压差阻力
压差阻力是由处于流动空气中的物体的前后的压 力差，导致气流附面层分离，从而产生的阻力。
第二章 第 66 页
I. 顺压梯度与逆压梯度
顺压：A到B，沿流向压力逐渐减小，如机翼上表面前段。
逆压：B到C，沿流向压力逐渐增加，如机翼上表面后段。
B C A
第二章 第 67 页
II. 附面层分离
上下表面出现的压力差，在垂直于（远前方）相对气 流方向的分量，就是升力。 机翼升力的着力点，称为压力中心(Center of Pressure)
第二章 第 43 页
2.2.2 翼型的压力分布
① 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。
第二章
低速空气动力学基础
本章主要内容
2.1 低速空气动力学 2.2 升力
2.3 阻力
2.4 增升装置的增升原理
第二章 第 2 页
2.1 空气流动的描述
空气动力是空气相对于飞机运动时产生的，要学习 和研究飞机的升力和阻力，首先要研究空气流动的基 本规律。
第二章 第 4 页
2.1.1 流体模型化
粘性
2.3.1 低速附面层
① 附面层的形成
附面层，是气流速度从物面处速度为零逐渐增加到 99%主流速度的很薄的空气流动层。
速度 不受干扰的主流 附面层边界
物体表面
第二章 第 53 页
●附面层厚度较薄
第二章 第 54 页
●无粘流动和粘性流动
附面层的形成是受到粘性的影响。
无粘流动 沿物面法线方向速度一致
第二章 第 31 页
② 空速管测飞行速度的原理
1 2
v P P0
2
v
2( P0 P )
第二章 第 32 页

③ 与动压、静压相关的仪表
空速表
高度表
升降速度表
第二章 第 33 页
●空速表
第二章 第 34 页
●升降速度表
第二章 第 35 页
●高度表
第二章 第 36 页
●深入理解动压、静压和总压 同一流线： 总压保持不变。 动压越大，静压越小。 流速为零的静压即为总压。
第二章 第 28 页
●深入理解动压、静压和总压 同一流管： 截面积大，流速小，压力大。 截面积小，流速大，压力小。
第二章 第 29 页
●伯努利定理适用条件

气流是连续、稳定的，即流动是定常的。 流动的空气与外界没有能量交换，即空气是绝热的。 空气没有粘性，即空气为理想流体。 空气密度是不变，即空气为不可压流。 在同一条流线或同一条流管上。
第二章 第 51 页
●阻力的分类
对于低速飞机，根据阻力的形成原因，可将阻力 分为：
•摩擦阻力(Skin Friction Drag)
•压差阻力(Form Drag)
•干扰阻力(Interference Drag) •诱导阻力(Induced Drag)
废阻力 (Parasite Drag)
升力
第二章 第 52 页
第二章 第 41 页
●升力的产生原理
P v P0 1
1 2 2 1
P1 v1
P2 v2
P2 v P0
1 2 2 2
P v P2 v 1
1 2 2 1 1 2
2 2
v1 v2
第二章 第 42 页
P P2 1
●升力的产生原理
在逆压梯度作用下，附面层底层出现倒流，与上层顺流 相 互作用，形成漩涡脱离物体表面的现象。
分离点
第二章 第 68 页
●分离区的特点一
分离区内漩涡是一个个单独产生的，它导致机翼的振动。
第二章 第 69 页
●分离区的特点二
分离区内压强几乎相等，并且等于分离点处的压强。 P分离点 = P1 = P2 = P3 = P4
第二章 第 48 页
本章主要内容
2.1 空气流动的描述 2.2 升力
2.3 阻力
2.4 增升装置的增升原理
第二章 第 49 页
2.3 阻力
阻力是与飞机运动轨迹平行，与飞行速度方向相反 的力。阻力阻碍飞机的飞行，但没有阻力飞机又无法 稳定飞行。
升力 Lift
拉力
阻力
Pull
Drag
重力
Weight
第二章 第 44 页
●驻点和最低压力点
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。
第二章 第 45 页
② 坐标表示法
从右图可以看出，机翼升力的产 生主要是靠机翼上表面吸力的作用， 尤其是上表面的前段，而不是主要 靠下表面正压的作用。
平飞中，可以通过机头高低判断迎角大小。而其他飞 行状态中，则不可以采用这种判断方式。
第二章 第 13 页
●水平飞行、上升、下降时的迎角
上升
平飞
下降
第二章 第 14 页
●迎角探测装置
第二章 第 15 页
2.1.4 流线和流线谱
空气流动的情形一般用流线、流管和流线谱来描述。 流线：流场中一条空间曲线，在该曲线上流体微团的 速度与曲线在该点的切线重合。对于定常流，流线是 流体微团流动的路线。
AI AII
1 a
vI vII
2
PI PII
3
AI
b
vI
vII
PI
PII
AII
c
第二章 第 60 页
●层流附面层和紊流附面层的速度型
第二章 第 61 页
2.3.2 阻力的产生
•摩擦阻力(Skin Friction Drag) •压差阻力(Form Drag) •干扰阻力(Interference Drag) •诱导阻力(Induced Drag) 废阻力
粘性流动 沿物面法线方向速度不一致 “附面层” 第二章 第 55 页
② 附面层的特点
I. 附面层内沿物面法向方向压强不变且等于法线主 流压强。
P1
P2
第二章 第 56 页
只要测出附面层边界主流的静压，便可得到物面各点的静 压，它使理想流体的结论有了现实意义。
II. 附面层厚度随气流流经物面的距离增长而增厚。
第二章 第 21 页
2.1.5 连续性定理
流体流过流管时，在同一时间流过流管任意截面的 流体质量相等。
质量守恒定律是连续性定理的基础。
第二章 第 22 页
●连续性定理
1 2
A1,v1
A2,v2
单位时间内流过截面1的流体体积为 v1 A1 单位时间内流过截面1的流体质量为1 v1 A1
本章主要内容
2.1 空气流动的描述 2.2 升力
2.3 阻力
2.4 飞机的低速空气动力特性
2.5 增升装置的增升原理
第二章 第 37 页
2.2 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
第二章 第 39 页
(Parasite Drag)
升力
第二章 第 62 页
粘性
① 摩擦阻力
由于紧贴飞机表面的空气受到阻碍作用而流速降低到零，根据 作用力与反作用力定律，飞机必然受到空气的反作用。这个反作 用力与飞行方向相反，称为摩擦阻力。
第二章 第 63 页
●影响摩擦阻力的因素
摩擦阻力的大小与附面层的类型密切相关，此外还取决于空 气与飞机的接触面积和飞机的表面状况。
高楼大厦之间的对流 通常比空旷地带大
第二章 第 24 页
2.1.6 伯努利定理
同一流管的任意截面上，流体的静压与动压之和保 持不变。 能量守恒定律是伯努力定理的基础。
第二章 第 25 页
●伯努利定理
空气能量主要有四种：动能、压力能、热能、重力势能。 低速流动，热能可忽略不计；空气密度小，重力势能可忽略不计。 因此，沿流管任意截面能量守恒，即为：动能+压力能=常值。公式 表述为：
同理，单位时间内流过截面2的流体质量为 2 v2 A2 则根据质量守恒定律可得：
1 v1 A1 2 v2 A2 即 v1 A1 v2 A2 C常数
第二章 第 23 页
结论：空气流过一流管时，流速大小与截面积成反比。
河水在河道窄的地方流 ●日常的生活中的连续性定理 得快，河道宽的地方流 得慢 山谷里的风通常比平原大
第二章 第 70 页
P分离点
P1
P2
P3
P4
●分离区的特点三
附面层分离的内因是空气的粘性，外因是因物体表面弯曲而 出现的逆压梯度。
PA PB PC
B C A
第二章 第 71 页
●分离点与最小压力点的位置
最小压力点
分离点
B C
A
第二章 第 72 页
●分离点与转捩点的区别
层流变为紊流（转捩），顺流变为倒流（分离）。




第二章 第 30 页
2.1.7 连续性定理和伯努利定理的应用
① 用文邱利管测流量
1 A1, v1 ,P1 2 A2, v2 ,P2
A2 v1 v2 文邱利管测流量 A1 2 v2 2 P P2 / 1 A2 / A12 1 1 2 1 2 v P v P 1 2 2 2 1 2