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机械设计

航天模型原理与结构—4.飞行的阻力

时间:2015-12-11 19:34:57   作者:   来源:   阅读:3410   评论:0
第四节  飞行的阻力
    飞机飞行时机翼上不仅有升力产生,同时还会由于空气的粘性会产生阻力。
1、空气的粘性和边界层与雷诺数
    用两个非常接近,但有没有接触的圆盘做实验,其中一个用电动机带动,使它高速旋转;另一个用线吊起来,经过一段时间以后,那个用线吊起来的远方也会慢慢的旋转起来,这个实验可以证实空气是有粘性的。
航天模型原理与结构—4.飞行的阻力
图1-16  空气的粘度
    由于空气粘性的影响,当空气流过物体表面的时候,贴近物体表面的空气质点粘附在物体表面上,它们的运动速度为零,随着同物体表面距离的增加,空气质点的速度也逐渐增大。远到一定的距离后,空气粘性的作用就不那么明显了。这一薄层空气叫做边界层或附面层。在模型飞机机翼表面,边界层大约有2~3毫米厚,在边界层内,如果空气流动是一层一层有规律的,叫做层流边界层;如果空气流动是杂乱无章的,叫做紊流边界层。
航天模型原理与结构—4.飞行的阻力
图1-17  层流和紊流
层流边界层的空气质点的流动可以认为使一层一层的,很有层次也很有规律。各层的空气都以一定的速度在流动,层与层之间的空气质点不会互相乱窜。所以在层流边界层空气粘性所产生的影响也较小。而紊流边界层却不然。在紊流边界层空气质点的运动规律正好与层流相反,是杂乱无章的。靠近最上面的那层速度比较大的空气质点可能会跑到底下速度比较慢的地方来,而底下的质点也会跑到上面去。
    边界层内空气质点流动的这些规律,也反映在这两种边界层内速度变化方面。虽然这两种边界层在最靠近物体得到那一点气流速度都是零,即相当于空气“粘”在物体表面一样;而在边界层外边的气流速度,都与没有粘性的情况相同。但是在从0变化到边界外边的速度之间,边界层内部的速度变化规律确实不同的。从图中可以看到,层流边界层内的速度变化比较激烈;而紊流边界层除了十分贴近物体表面的范围外,在其他地方速度变化并不大,所以紊流边界层内的空气质点具有的动能也比较大。当物体表面上形成紊流边界层时,空气质点的运动就很不容易停顿下来,层流边界层则相反。
刚才讲了边界层内空气质点运动速度的变化情况,那么边界层内的压强有没有变化呢?要注意,前面讲过的伯努利定理在边界层内已不再适用。因为伯努利定理中假定气流在通道中的能量是不变的。而在边界层中,由于粘性的影响消耗了空气质点的一部分动能,在物体表面上,由于粘性影响最大,空气质点的动能全部消耗殆尽。研究表明,尽管沿着边界层厚度方向空气质点的速度不同,但它们的静压确是相同的。
    空气流过物体表面时,什么时候会产生层流边界层或者紊流边界层呢?产生不同边界层与哪些因素有关呢?
    气流在刚开始作用于的物体时,在物体表面所形成的边界层是比较薄的,边界层内的流动也比较有层次。所以一般是层流边界层。空气质点流过的物体表面越长,边界层也越厚,这时边界层内的流动便开始混乱起来了。由于气流流过物体表面受到扰乱(不管物体表面多么光滑,对于空气质点来说,还是很粗糙的)。结果是空气质点的活动越来越活跃,边界层内的气流不再很有层次,边界层内的空气质点互相攒动,互相影响,物体表面的边界层也就变成了紊流边界层。
    决定物体表面边界层到底是层流或是紊流,主要根据五个因素:(1)气流的相对速度;(2)气流流过的物体表面长度;(3)空气的粘性和密度;(4)气流本身的紊乱程度;(5)物体表面的光滑程度和形状。
    气流的流速越大,流过物体表面的距离越长,或空气的密度越大(即每单位体积的空气分子越多),层流边界层变越容易变成紊流边界层。相反,如果气体的粘性越小,流动起来变越稳定,越不容易变成紊流边界层。在考虑层流边界层是否会变成紊流时,这些有关的因素都要估计在内。
    空气同物体的相对速度航天模型原理与结构—4.飞行的阻力越大,空气流过物体表面的距离航天模型原理与结构—4.飞行的阻力(模型飞机的翼弦长)越长,空气的密度越大,层流边界层就越容易变成紊流边界层。这三个因素相乘后同空气的粘性系数航天模型原理与结构—4.飞行的阻力相比,比值就叫做雷诺数,用航天模型原理与结构—4.飞行的阻力表示:0.00000182Kgs/m2
航天模型原理与结构—4.飞行的阻力
    式中航天模型原理与结构—4.飞行的阻力的单位是航天模型原理与结构—4.飞行的阻力航天模型原理与结构—4.飞行的阻力的单位是航天模型原理与结构—4.飞行的阻力航天模型原理与结构—4.飞行的阻力近似取航天模型原理与结构—4.飞行的阻力航天模型原理与结构—4.飞行的阻力可取航天模型原理与结构—4.飞行的阻力。这样,雷诺数可以简化成:
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    在空气动力学上,将层流边界层变成紊流边界层的雷诺数,称为临界雷诺数。如果空气流过物体时的雷诺数小于临界雷诺数,那么在物体表面形成的边界层都是层流边界层;如果空气流过同一物体时的雷诺数超过临界雷诺数,那么在这个物体表面的层流边界层就开始变成紊流边界层。因此,临界雷诺数表示流体从层流向紊流过渡的转折点。一般模型飞机机翼翼型的临界雷诺数大约是50000。
必须指出,上式是对应于气温为15℃的海平面国际标准大气的条件下的。气温对空气粘性的影响比较大啊,加之模型飞机的飞行雷诺数本来就不大,所以气温对模型飞机的雷诺数的影响就显得更加严重。
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图1-18  雷诺数随气温变化
    做模型的风洞试验时,如果能使模型试验的雷诺数与实际飞行的雷诺数相等,那么仅就空气粘性这个因素而言,模型流场的流型与实物流场便相似了。这是流体力学的相似法之一。作低速实验时,这样取得的阻力系数便与实际飞行的相等了。
    2、飞行的阻力
    只要物体同空气有相对运动,必然有空气阻力作用在物体上。作用在模型飞机上的阻力主要有摩擦阻力,压差阻力和诱导阻力以及干扰阻力。
(1)摩擦阻力,当空气流过机翼表面的时候,由于空气的粘性作用,在空气和机翼表面之间会产生摩擦阻力。如果机翼表面的边界层是层流边界层,空气粘性所引起的摩擦阻力比较小;如果机翼表面的边界层是紊流边界层,空气粘性所引起的摩擦阻力就比较大。摩擦阻力的大小和粘性影响的大小、物体表面的光滑程度以及物体与空气接触面积(称为浸润面积)等因素有关。模型飞机暴露在空气中的面积越大、摩擦阻力也愈大。
    为了减少摩擦阻力,可以减少模型飞机同空气的接触面积,也可以把模型表面做光滑些,使表面产生层流层。但不是越光滑越好,因为表面太光滑,容易引起层流边界层,在模型飞机的低雷诺数条件下,层流边界层的气流容易分离,会使压差阻力大大增加。
    而对于不产生升力的部件,还是设法把它的表面打磨得比较光滑一些,以减少它的摩擦阻力。
(2)压差阻力。一块平板,平行于气流运动阻力比较小,垂直于气流运动阻力比较大,如图所示。因为这种阻力是由于平板前后存在压力差而引起的,所以,我们把这种阻力叫做压差阻力。如果进行进一步的研究,可以看到,产生这个压力差的根本原因还是由于空气的粘性。
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图1-19  压差阻力
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图1-20  驻点与粘度对气流的流动影响
    以圆球为例,当空气流动,假设空气没有粘性,则圆球前后、上下的压力分布分别相同,所以也没有上下方向的压力差——升力,也没有前后方向的压力差——压差阻力。只有当空气有粘性时,气流流过圆球表面会损失一些能量,使得在圆球的前端——驻点处分叉成上下两股的气流,在绕过圆球后,不能够在圆球后端再汇合在一起向后平滑的流去,于是产生气流分离的现象。
    压差阻力与物体的形状,物体在气流中的姿态以及物体的最大迎风面积等有关,其中最主要的是同物体的形状有关。如果在那块垂直于气流的平板前面和后面都加上尖球形的罩,成为流线型的形状。它的压差阻力就可以大大减少,有时可以减少80%。所以,一般模型飞机的部件都采用流线型的。
    压差阻力还与物体表面的边界层状态也有很大的关系。如果边界层是层流的。边界层内的空气质点动能较小,受到影响后容易停留下来,这样气流就比较容易分离,尾流区的范围就比较大,压差阻力也就很大。如果边界层是紊流的,那么由于边界层内空气质点的动能比较大,所以气流流动时就不太容易停顿下来,使气流分离得比较晚,尾流区就比较小,压差阻力也就比较小。所以从减少压差阻力的观点看,边界层最好是紊流的。
航天模型原理与结构—4.飞行的阻力
    (a) 层流          (b) 紊流
图1-21  物体表面状态对气流的影响
    在通常的情况下,机翼的阻力主要就是压差阻力和摩擦阻力。两者之和几乎都是总的阻力,叫做翼形阻力。计算机翼阻力的公式如下:Cx
航天模型原理与结构—4.飞行的阻力
    其中X是机翼的阻力,单位是航天模型原理与结构—4.飞行的阻力航天模型原理与结构—4.飞行的阻力是阻力系数
    对于流线型物体,如模型飞机的机身所产生的阻力中,摩擦阻力占总阻力的大部分,而对于不流线型的物体,如平板、圆球等,压差阻力在总阻力中占主要成分。这两种阻力在总阻力中所占的比例随物体形状的不同而有所变化。
(3)诱导阻力:在机翼的两端,机翼下表面流速小而压力大,压力大的气流就会绕过翼尖,向机翼上表面的低压区流动,于是在翼端形成一股涡流,如图所示。它改变了翼端附近流经机翼的气流方向,引起了附加的阻力。因为它是升力诱导出来的,所以叫做诱导阻力。升力越大,诱导阻力也越大。但机翼升力为0时,这种阻力也减少到0,所以又称为升致阻力。
航天模型原理与结构—4.飞行的阻力航天模型原理与结构—4.飞行的阻力
  (a)            (b)
图1-22  诱导阻力
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图1-23  NASA的照片
    这种现象在飞行表演时,飞机翼端如有喷烟时可看得非常清楚,你可以注意涡流旋转的方向(如图1-22 b),图1-23是NASA的照片,可看见壮观的涡流,因为这种涡流延伸至水平尾翼时,从水平尾翼的观点气流是从上往下吹,因此会减小水平尾翼的攻角,也就是说水平尾翼的攻角实际会比较小,图1-23只不过是一架小飞机,如像类似747这种大家伙起飞降落后,小飞机要隔一阵子才能起降,否则飞入这种涡流,后果不堪设想,这种阻力是因为涡流产生,所以也称涡流阻力。
    减小诱导阻力的方法是增大展弦比。一般把机翼两翼端之间的距离叫做翼展。不论机翼的平面形状如何,是长方形的还是后掠形的,两翼尖端的最远距离就是翼展。翼展同翼弦的比叫做展弦比,如果机翼又细又长,即它的展弦比大。展弦比也大,诱导阻力也就越小。另外,还可以把机翼形状做成梯形或椭圆形,这两种形状机翼的诱导阻力比矩形机翼的诱导阻力小。
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图1-24  改变机翼形状改善诱导阻力
(4)干扰阻力
    对于整架模型飞机来说,产生升力的除机翼外,还有尾翼,产生阻力的除机翼外,还有机身、尾翼、起落架、发动机等部分。另外,飞机各个部件之间不同程度的相互衔接处也会产生附加阻力。整架飞机阻力于单独部件阻力总和之间的差值称为干扰阻力。
    例如,在机翼与机身连接处气流容易发生分离,产生很大的干扰阻力,如果在翼身连接处加整流包皮,将二者的表面连成圆滑的过渡,就可以避免分离,这部分的干扰阻力也就大大减少。
航天模型原理与结构—4.飞行的阻力
图1-25  干扰阻力
    一般情况下,整架飞机的阻力总和要比各个部件阻力的总和来的大。但个别设计得好得飞机,其整机阻力身子有可能比各部件阻力的总和还小。前一种情况称为不利干扰,干扰阻力为正值,后一种情况称为有利干扰,干扰阻力是负值。
    干扰的类型根据引起部件干扰作用的特点大致可以分为:涡流干扰、尾流干扰和压力干扰三种。
(1)涡流干扰  是指能产生升力的物体对它后面部件的影响。例如螺旋桨滑流对滑流区域内部件的影响。由于涡流干扰的干扰源是产生升力的物体,所以它可以认为是一种升力干扰。升力干扰一般表现为不利干扰。但有时会表现为有利干扰。
    大雁编队飞行就是利用有利干扰的一个例子。成群的大雁在飞行时常常编成人字形或者斜一字形,领队的大雁排在最前头,幼弱的小雁则在最外侧或最末尾,后面一只雁的翅膀正好处在前一只雁翅膀所形成的翼尖涡流中(这种涡流与前面讲诱导阻力是提到的翼尖涡流相类似),由于涡流呈螺旋形,它对于后面那只大雁的影响恰恰与诱导阻力的作用相反,能够产生助推的作用。因此领队的雁的体力消耗比较大,都是成年的强壮大雁担当。
(2)尾流干扰  任何突出在飞机表面上的物体或多或少的都有形状阻力,也就是压差阻力。压差阻力与物体后面的尾流区有关。这种尾流区不仅给这个物体本身带来压差阻力,而且尾流还会顺流而下影响它后面物体的气流流动情况。由于尾流与压差阻力是密切相关的,所以这种干扰也可称为阻力干扰。很显然,阻力干扰总是一种不利干扰。
(3)压力干扰  气流流过物体时,在物体表面上会受到分布的空气压力,这种压力分布于物体形状密切相关。所以在飞行中,飞机各个部件表面的压力分布是各不相同的。在飞机上任何两个互相连接的部件(例如:机身与机翼,机身与尾翼等)的接合处,不同部件的压力分布会互相影响,从而影响到部件结合部位附近的流动状态,严重的还会导致气流分离。
    一般模型飞机,水平尾翼产生的升力只有机翼的5%左右,可以忽略不计。整架飞机的阻力可以通过把各部分的阻力系数综合成一个总的阻力系数,在考虑诱导阻力和由于干扰造成的附加阻力而估算出来。由于估算不是十分准确的,还需要通过试飞才能确定下来。尽量改善模型飞机各部件之间的配置,争取把这种干扰影响减到最小。

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