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飞机原理与构造第二讲第二章低速空气动力学基础2012/9/21一、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2012/9/2第二章低速空气动力学基础2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。2012/9/232012/9/24空气的基本性质地球阿波罗飞船看到的地球椭球体半长轴(赤道半径)6378.1km半短轴(极半径)6356.8km质量5.977×1021t运动自转、公转地球升起在月球的地平线上2012/9/2大气5垂直方向上特性变化显著（密度、温度、压强、„）10km高度ρ≈1/3ρ0p≈1/4p0100km高度ρ≈4×10-7ρ0p≈3×10-7p0空气的基本性质2012/9/2大气结构6空气的基本性质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㈡平流层㈢中间层㈣热层㈤散逸层大气层分布大气的分层2012/9/27空气的基本性质大气结构㈠对流层大气中最低的一层，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2012/9/2大气结构8空气的基本性质对流层的特点：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。2012/9/29空气的基本性质大气结构㈡平流层在对流层的顶部，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。2012/9/210空气的基本性质大气结构一、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270～290K。三、平流层大气主要是水平方向的流动，没有上下对流。平流层的特点：2012/9/211空气的基本性质大气结构㈢中间层平流层之上，到高于海平面50～85km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160～190K。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。2012/9/212大气结构中间层的特点：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。空气的基本性质2012/9/213㈣热层大气结构从中间层顶部到高出海平面800km之间的一层称为热层，又叫电离层。这一层空气密度很小，在700km厚的气层中，只含有大气总质量的0.5％。在120km的高空，声波已难以传播；270km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300km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。空气的基本性质2012/9/214大气结构㈤散逸层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2000～3000km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22000km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”。空气的基本性质2012/9/215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：符号单位密度ρkg/m3温度TK压强pPa声速c(a)m/s粘度μPa·s流动流体的物理量和参数2012/9/216空气的基本性质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。大气的物理性质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1.002×10-3Pa·s，而空气的内摩擦系数为1.81×10-5Pa·s，其值仅是水的1.81％。2012/9/217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。一般认为液体是不可压缩的，气体是可压缩的2012/9/218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）。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11000m，声速降低到296m/s。2012/9/219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。2012/9/220空气的基本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大气的物理性质Ma≤0.4,为低速飞行；0.4Ma≤0.85,为亚声速飞行；0.85Ma≤1.3,为跨声速飞行；1.3Ma≤5.0,为超声速飞行；Ma5.0，为高超声速飞行。2012/9/221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。2012/9/222空气的基本性质2、海平面大气物理属性国际标准大气高度H0m密度ρ1.225kg/m3温度T288.15K压强p101325Pa声速a(c)340.294m/s粘度μ1.7894×10-5Pa·s标准重力加速度g9.80665m/s2气体常数R287.05278J/(kg·K)2012/9/223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。2012/9/224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。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）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。0.3vMa低速气流的特性2012/9/225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。2012/9/226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，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2012/9/227低速气流的特性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。相对运动原理相对运动原理2012/9/228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6×10-8m40km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2012/9/229低速气流的特性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。气流在变截面管道内的流动情况2012/9/230低速气流的特性在单位时间内，流过变截面管道中任意截面处的气体质量都应相等，即。该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。该式称为不可压缩流体沿管道流动的连续性方程。111222333vAvAvA常数112233vAvAvA常数质量守恒与连续方程2012/9/231低速气流的特性连续性方程的物理意义质量守恒与连续方程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。2012/9/232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之和应始终保持不变即：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：212v2211221122PVPV常数2012/9/233低速气流的特性伯努利方程的物理意义伯努利方程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，流体静压将增加流体在容器和管道中的流动情况2012/9/234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压强指示计测压管2012/9/235伯努利方程低速气流的特性伯努利方程应用条件(1)理想流体(2)不可压缩流(3)定常流动(4)在所考虑的范围内，没有能量的交换(5)没有物质交换2012/9/2机翼的外形参数36飞机上的空气动力升力—用来克服飞机自身的重量阻力—由发动机产生的推力来平衡如何增大升力、减小阻2012/9/237机翼的外形参数1、翼型“翼型”是指沿平行于飞机对称平面的切平面切割机翼所得到的剖面。翼型几何参数翼型2012/9/238机翼的外形参数翼型几何参数翼型具有产生的升力与阻力之比（升阻比）尽可能大的体形，整体上是优良流线形，使流体能顺着其表面尽可能无分离地向尖后缘流去。工程应用中的基本翼型形状2012/9/239机翼的外形参数翼型几何参数2、