飞机原理与构造第四讲-高速空气动力学基础

飞机原理与构造第四讲第三章高速空气动力学基础2012/9/212012/9/22一、高速气流的特性二、激波与膨胀波三、高速气流中作用于翼型上的空气动力四、后掠机翼第三章高速空气动力学基础2012/9/23高速气流的特性当飞机由低速飞行进入高速飞行，就会遇到某些激波、局部激波等与低速飞行截然不同的现象。这主要是高速飞行时，空气密度随飞行速度的变化而变化，使飞机空气动力发生了新的变化。这种变化，又是由于高速飞行中气流特性发生了显著变化所致。2012/9/24高速气流的特性空气的压缩性与飞行速度的关系高速气流之所以与低速气流有如此的差别，其根本原因是空气具有压缩性的缘故。空气由于压力，温度等条件改变而引起密度的变化叫做空气的压缩性。由于空气的压缩性会引起一系列的问题：弱扰动的传播，高速气流中压力和流速随流管截面积的变化，激波等。2012/9/25高速气流的特性在大速度情况下，气流速度变化引起空气密度的变化显著增大，就会引起空气动力发生额外的变化，甚至引起空气动力规律的改变，这就是高速气体特性所以区别于低速气流根本点。飞行速度20040060080010001200空气密度增加的百分比1.3%5.3%12.2%22.3%45.8%56.6%空气密度随飞行速度变化的关系空气的压缩性与飞行速度的关系2012/9/26高速气流的特性空气本身温度越高，越不易被压缩。这种现象是空气分子热运动影响的结果。温度越高，空气分子的整运动速度越大，在外界压力改变量相同的条件下，体积变化小，密度变化也较小、空气压缩性较少。气体温度越高，它抵抗外界压缩的能力越强，越难压缩。空气密度是否容易变化，与温度有很大的关系。空气的压缩性与温度的关系2012/9/27高速气流的特性音波、音速、马赫数鼓音（音波）的传播音速：扰动在空气中的传播速度就是音速。2012/9/28高速气流的特性音波—弱扰动波音波、音速、马赫数由于空气具有可压缩的物理特性，当空气受扰动时会使空气的压力和密度发生了变化，就产生压力一升一降，密度一疏一密的扰动波，一个接着一个地向外传播，这种扰动波是空气被压缩和膨胀交替变化的结果，因此，我们把这种空气不断反复发生扰动的弱扰动波称为音波。2012/9/29高速气流的特性音速（a）：弱扰动在静止空气中传播的速度叫做音速音波、音速、马赫数音速约等于每小时1227公里或每秒341米。音速大小用字母a来表示。1)音速的快慢，取决于传播的介质。介质越难压缩，音速就越大。2)音速的快慢，取决于空气温度变化。空气的压缩性取决于空气温度，所以音速在空气中的快慢最终取决于空气温度。气温低时，空气容易压缩，不能快速挤压周围空气，音速慢。3)音速的快慢，取决于高度的变化。音速一般在10—11公里以下，高度升高，音速下降。2012/9/210高速气流的特性马赫数(M数)音波、音速、马赫数全面衡量空气压缩量的大小，要同时考虑飞行速度和音速两个因素，一般用气流速度和音速的比值来综合表达对空气压缩性的影响，这个比值称为马赫数(称M数)。M=V/a2012/9/211高速气流的特性恩斯特·马赫（ErnstMach，1838－1916）奥地利杰出的物理学家、心理学家和数学家，同时又是一位伟大的哲学家。他促成了实证主义向逻辑经验主义的过渡，形成了哲学史上著名的马赫主义哲学。1855年马赫进维也纳大学学习物理和数学，于1860年获得博士学位。以后他进行一系列物理学方面的实验研究，如有关冲击波的研究。在心理学上他也取得了一些重大进展，如“马赫带”的发现等。2012/9/212高速气流的特性他研究物体在气体中高速运动时，发现了激波。确定了以物速与声速的比值（即马赫数）为标准，来描述物体的超声速运动。马赫效应、马赫波、马赫角等这些以马赫命名的术语，在空气动力学中广泛使用，这是马赫在力学上的历史性贡献。20世纪物理学的两大杰出理论体系相对论和量子力学的建立，都是受马赫的启发和影响而完成的。2012/9/213高速气流的特性空气压缩性与音速a的关系ddpa27339ta海里/小时2731.20ta公里/小时音速与传输介质的可压缩性相关，在空气中，音速大小唯一取决于空气的温度，温度越低，空气越易压缩，音速越小。2012/9/214高速气流的特性亚音速、等音速和超音速的扰动传播2012/9/215高速气流的特性空气压缩性与马赫数M的关系aTASMM数越大，空气被压缩得越厉害。马赫数M是真速与音速之比。分为飞行马赫数和局部马赫数，前者是飞行真速与飞行高度音速之比，后者是局部真速与局部音速之比（如翼型上表面某点的局部马赫数）。低速飞行(马赫数M0.4)可忽略压缩性的影响高速飞行(马赫数M0.4)必须考虑空气压缩性的影响2012/9/216高速气流的特性气流速度与流管截面积的关系由连续性定理，在同一流管内constVA速度增加，空气密度减小。在亚音速时，密度的减小量小于速度的增加量，故加速时要求截面积减小。流量一定，流速快则截面积减小；流速慢则截面积增大。在亚音速气流中,流管截面积随流速的变化2012/9/217高速气流的特性因此，M1时，流管扩张，流速增加，流管收缩，流速减小。在超音速时，密度的减小量大于速度的增加量，故加速时要求截面积增大。由连续性定理，在同一流管内constVA速度增加，空气密度减小。气流速度与流管截面积的关系在超音速气流中,流管截面积随流速的变化2012/9/218高速气流的特性气流M数0.20.40.60.81.01.21.41.6流速增加的百分比1%1%1%1%1%1%1%1%密度变化的百分比-0.04%-0.16%-0.36%-0.64%-1%-1.44%-1.96%-2.56%截面积变化的百分比-0.96%-0.84%-0.64%-0.36%00.44%0.96%1.65%速度、密度和截面积在不同M数下的变化值2012/9/219高速气流的特性低速气流的气流特性是：流速要加快，流管势必变细。超音速气流的气流特性是：流速要加快，流管必须变粗。超音速气流的加速性流管形状低速气流（不可压缩）亚音速气流（Ma1）超音速气流（Ma1）收缩的流管压力减小流速增大密度不变温度不变压力减小流速增大密度减小温度降低压力增大流速减小密度增大温度升高扩张的流管压力增大流速减小密度不变温度不变压力增大流速减小密度增大温度升高压力减小流速增大密度减小温度降低2012/9/220高速气流的特性超音速气流的获得要想获得超音速气流，截面积应该先减后增。2012/9/221高速气流的特性超音速气流的获得TheTailpipeofSpaceShuttle2012/9/222高速气流的特性弱扰动波在气流中的传播波面前后空气压力和密度等参数差别非常微小的叫弱扰动，波面前后参数有显著差别的，叫强扰动。在研究声音传播时，往往假设声源是不动的，但实际上声源本身是可以运动的，再加上空气的运动，声音与空气（气流）之间的相对运动可分为：1.扰动源不动2.扰动源的速度小于音速3.扰动源的速度等于音速4.扰动源的速度大于音速2012/9/223高速气流的特性半径为n*a的球状结构弱扰动波在气流中的传播2012/9/224高速气流的特性锥顶角（马赫角）弱扰动波在气流中的传播1arcsinarcsinavMa2012/9/225高速气流的特性弱扰动在亚音速和超音速时的传播情况是不同的：1、在亚音速时，在整个空间都能传播扰动；在超音速时，被扰动范围只在扰动锥内，扰动锥以外的气流不受扰动，M数越大，扰动锥锥角越小。2、在亚音速时，扰动波可以逆气流向前传播，扰动源一路前进，所遇到都是被它扰动过的空气，因此扰动源不会和前面空气骤然相碰；在等音速或超音速气流中，扰动波不能逆气流向前传播，而只能传播到扰动源后边的一定范围，飞行速度越大，扰动波前进越困难。弱扰动波在气流中的传播2012/9/226激波与膨胀波激波:飞机以超音速飞行时，沿途的空气来不及让开，物体与空气骤然相遇，空气突然遭受强烈压缩，形成一个强烈的扰动。（事先无影响）扰动锥前后即受扰动空气与尚未受到扰动的空气之间有一个压力、密度、温度等参数都相差很大的分界面，这个分界面叫激波。2012/9/227激波与膨胀波激波是受到强烈压缩的一层薄薄的空气，其厚度仅有千分之一到万分之一毫米，由于空气受到强烈压缩，使激波前后空气的物理特性发生突变，气流通过激波后，压力突然加大，密度、温度也都突然升高，气流速度却大为降低。激波2012/9/228激波与膨胀波激波模拟激波2012/9/228激波与膨胀波激波前后气流参数变化激波2012/9/229激波与膨胀波激波实例2012/9/230激波与膨胀波激波实例2012/9/231激波与膨胀波由于激波前后压力差相当大(例如，飞行速度为每小时1800公里，激波后面的压力会比激波所压力提高1.39大气压每平方米，将增大139000牛顿的空气压力)。当飞机以超音速的速度掠空而过时，机头和机翼都会产生激波，使激波后面的空气压力增大很多，在激波经过瞬间，地面将所到象炸弹爆炸般的震动声，这就是通常所说的超音速“爆音”。激波2012/9/232激波与膨胀波激波战斗机超音速声爆2012/9/233激波与膨胀波1.斜激波（超声速气流经过激波流动方向变化）2.正激波（超声速气流经过激波流动方向不变化）激波的种类2012/9/234激波与膨胀波3.脱体激波（超声速气流流过钝头物体产生的激波）激波实例：美军超音速飞机激波的流动不能作为等熵流动处理。但是，气流经过激波可以看作是绝热过程。激波的种类2012/9/235激波与膨胀波激波的种类2012/9/236激波与膨胀波激波的形状往往与物体头部形状和飞行马赫数有密度关系，不同物体形状头部激波不同。物体头部是方楞的的或园钝的，则由于对气流的阻滞作用很强，在物体前端通常产生脱体激波，产生强烈的正激波范围较大。头部尖的物体，由于对气流的阻滞作用较弱，在其前缘常产生附体激波，前缘越尖，气流受阻越小，激波变的越斜。激波的种类2012/9/237激波与膨胀波激波的种类—正激波波面与气流方向垂直的激波，叫正激波。气流流过正激波，压力、密度和温度都突然引高，流速由超音速降为亚音速，但气流方向不变．在同一M数下，正激波是最强的激波。2012/9/238激波与膨胀波正激波的形成过程：见图9－7直圆管在活塞右侧是无限延伸的，开始时管道中充满静止气体如(a)所示，活塞向右突然作加速运动，在一段时间内速度逐步加大到v，然后以等速v运动。活塞表面靠近的气体依次引起微弱的扰动，这些扰动波一个个向右传播。如(b)所示，当活塞不断向右加速时，一道接一道的扰动波向右传播，而且后续波的波速总是大于现行波的波速，所以后面的波一定能追上前面的波。如(c)所示，无数个小扰动弱波叠加在一起形成一个垂直面的压缩波，这就是正激波。激波的种类—正激波2012/9/239激波与膨胀波（1）激波向右的传播速度，激波后气体的运动速度则为活塞向右移动的速度,见图(a)。（2）当把坐标系建立在激波面上时，激波前的气体以速度向左流向激波，经过激波后气体速为,见图(b)。激波的传播速度：激波的种类—正激波2012/9/240激波与膨胀波波面沿气流方向倾斜激波叫斜激波。空气通过斜激波，压力、密度、温度也要突然升高，但不象通过正激波那样强烈。流速降低，可能降为亚音速，也可能仍为超音速，通过斜激波后，气流方向要向外转折。激波的种类—斜激波2012/9/241激波与膨胀波当超音速气流流过图中所示的凹壁面时将产生斜激波,气流的速度由超音速变为亚音速，而且流动的方向也将发生变化。壁面的转折角为，用角标1和2分别表示波前和波后，n和t分别表示速度与激波面垂直和平行的分量，激波与波前壁面的交角称激波角，如图中。激波的种类—斜激波2012/9/242激波与膨胀波当超声速流流过凸曲面或凸折面时，通道面积加大，气流发生膨胀，而在膨胀伊始因受扰动而产生马赫波。这种气流受扰后压强将下降，速度将增大情况下的马赫波称为膨胀波。激波的种类—膨胀波2012/9/243激波与膨胀波膨