飞行原理-2.3-阻力.ppt

第二章第二章飞机的低速空气动力飞机的低速空气动力本章主要内容本章主要内容2.1 空气流动的描述空气流动的描述2.2 升力升力2.3 阻力阻力2.4 飞机的低速空气动力特性飞机的低速空气动力特性2.5 增升装置的增升原理增升装置的增升原理引言引言从飞行性能的角度，假设操纵面偏转可使力矩平衡，但将其最大从飞行性能的角度，假设操纵面偏转可使力矩平衡，但将其最大平衡能力作为约束。实际还常忽略操纵面偏转对力平衡的影响。平衡能力作为约束。实际还常忽略操纵面偏转对力平衡的影响。作用在飞机上的外力作用在飞机上的外力外力矩平衡及约束外力矩平衡及约束外力一般不通过质心，它将引外力一般不通过质心，它将引起绕质心转动的力矩起绕质心转动的力矩V机身参考线机身参考线 飞机对称面飞机对称面O YQZ2.3 阻力阻力零升阻力系数零升阻力系数零升阻力系数零升阻力系数 阻力特性阻力特性诱导阻诱导阻力因子力因子零升阻零升阻力系数力系数无侧滑时的无侧滑时的极曲线极曲线表达式表达式诱导阻诱导阻力系数力系数2)长细比增大，机翼薄，长细比增大，机翼薄，1)与升力无关，取决于外形、与升力无关，取决于外形、M、Re1.0波阻波阻出现出现随随MM增加，激增加，激波强度减弱波强度减弱摩阻摩阻压阻压阻干扰干扰外形、外形、Re确定确定诱导阻力因子诱导阻力因子诱导阻力因子诱导阻力因子A A1)取决于外形、取决于外形、M、Re外形、外形、Re确定确定3)超音速无前缘绕流时：超音速无前缘绕流时：，A 2)亚音速时，亚音速时，A随随M基本不变基本不变:1.0无前缘无前缘绕流绕流1(yx)AM 极曲线和最大升阻比极曲线和最大升阻比 Kmax外形、外形、Re确定确定升阻比升阻比最大升阻比最大升阻比评定飞机评定飞机升阻特性升阻特性的重要气的重要气动参数动参数 Kmax=tan KmaxM先进布局先进布局亚音速飞机亚音速飞机经典超音经典超音速飞机速飞机 阻力是与飞机运动轨迹平行，与飞行速度方向相反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。稳定飞行。升力升力重力重力拉力拉力阻力阻力LiftPullWeightDrag阻力的分类阻力的分类 对于低速飞机，根据阻力的形成原因，可将阻力对于低速飞机，根据阻力的形成原因，可将阻力分为：分为：摩擦阻力摩擦阻力(Skin Friction Drag)压差阻力压差阻力(Form Drag)干扰阻力干扰阻力(Interference Drag)诱导阻力诱导阻力(Induced Drag)废阻力废阻力(Parasite Drag)升力升力粘性粘性2.3.1 低速附面层低速附面层 附面层，是气流速度从物面处速度为零逐渐增加到附面层，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。主流速度的很薄的空气流动层。速度速度不受干扰的主流不受干扰的主流附面层边界附面层边界物体表面物体表面附面层的形成附面层的形成附面层厚度较薄附面层厚度较薄无粘流动无粘流动沿物面法线方向速度一致沿物面法线方向速度一致粘性流动粘性流动沿物面法线方向速度不一致沿物面法线方向速度不一致“附面层附面层”无粘流动和粘性流动无粘流动和粘性流动附面层的形成是受到粘性的影响。附面层的形成是受到粘性的影响。附面层的特点附面层的特点I.附面层内沿物面法向方向压强不变且等于法线主附面层内沿物面法向方向压强不变且等于法线主流压强。流压强。P1P2 只要测出附面层边界主流的静压，便可得到物面各点的静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。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。附面层厚度随气流流经物面的距离增长而增厚。lII.附面层厚度随气流流经物面的距离增长而增厚。附面层厚度随气流流经物面的距离增长而增厚。lIII.附面层的特点三附面层的特点三 附面层分为层流附面层和紊流附面层，层流在前，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。紊流在后。层流与紊流之间的过渡区称为转捩点。转捩点转捩点层流附层流附面层面层紊流附面层紊流附面层层流的不稳定性层流的不稳定性123abc层流附面层和紊流附面层的速度型层流附面层和紊流附面层的速度型2.3.2 阻力的产生阻力的产生摩擦阻力摩擦阻力(Skin Friction Drag)压差阻力压差阻力(Form Drag)干扰阻力干扰阻力(Interference Drag)诱导阻力诱导阻力(Induced Drag)废阻力废阻力(Parasite Drag)升力升力粘性粘性摩擦阻力摩擦阻力 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，称为摩气的反作用。这个反作用力与飞行方向相反，称为摩擦阻力。擦阻力。影响摩擦阻力的因素影响摩擦阻力的因素紊流附面层的摩擦阻力比层流附面层的大。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。飞机表面越粗糙，摩擦阻力越大。摩擦阻力的大小与附面层的类型密切相关，此外还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。取决于空气与飞机的接触面积和飞机的表面状况。摩擦阻力在飞机总阻力构成中占的比例较大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摩擦阻力占总阻力的比例超音速战斗机超音速战斗机25-30%大型运输机大型运输机40%小型公务机小型公务机50%水下物体水下物体70%船舶船舶90%压差阻力压差阻力 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。力差，导致气流附面层分离，从而产生的阻力。I.顺压梯度与逆压梯度顺压梯度与逆压梯度顺压：顺压：A到到B，沿流向压力逐渐减小，如机翼上表面前段。，沿流向压力逐渐减小，如机翼上表面前段。逆压：逆压：B到到C，沿流向压力逐渐增加，如机翼上表面后段。沿流向压力逐渐增加，如机翼上表面后段。ABCII.附面层分离附面层分离 在逆压梯度作用下，附面层底层出现倒流，与上在逆压梯度作用下，附面层底层出现倒流，与上层顺流层顺流 相互作用，形成漩涡脱离物体表面的现象。相互作用，形成漩涡脱离物体表面的现象。分离点分离点分离区的特点一分离区的特点一 分离区内漩涡是一个个单独产生的，它导致机翼的分离区内漩涡是一个个单独产生的，它导致机翼的振动。振动。分离区的特点二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。分离区内压强几乎相等，并且等于分离点处的压强。P分离点分离点P1P2P3P4P分离点分离点=P1=P2=P3=P4分离区的特点三分离区的特点三 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。面弯曲而出现的逆压梯度。ABC分离点与最小压力点的位置分离点与最小压力点的位置ABC最小压力点最小压力点分离点分离点分离点与转捩点的区别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）。层流变为紊流（转捩），顺流变为倒流（分离）。分离可以发生在层流区，也可发生在紊流区。分离可以发生在层流区，也可发生在紊流区。转捩和分离的物理含义完全不同。转捩和分离的物理含义完全不同。III.压差阻力的产生压差阻力的产生 气流流过机翼后，在机翼的后缘部分产生附面层分气流流过机翼后，在机翼的后缘部分产生附面层分离形成涡流区，压强降低；而在机翼前缘部分，气流离形成涡流区，压强降低；而在机翼前缘部分，气流受阻压强增大，这样机翼前后缘就产生了压力差，从受阻压强增大，这样机翼前后缘就产生了压力差，从而使机翼产生压差阻力。而使机翼产生压差阻力。分离点位置与压差阻力大小的关系分离点位置与压差阻力大小的关系分离点靠前，压差阻力大。分离点靠前，压差阻力大。分离点靠后，压差阻力小。分离点靠后，压差阻力小。ABCC影响压差阻力的因素影响压差阻力的因素 总的来说，飞机压差阻力与迎风面积、形状和迎角总的来说，飞机压差阻力与迎风面积、形状和迎角有关。迎风面积大，压差阻力大。迎角越大，压差阻力有关。迎风面积大，压差阻力大。迎角越大，压差阻力也越大。也越大。压差阻力在飞机总阻力构成中所占比例较小。压差阻力在飞机总阻力构成中所占比例较小。干扰阻力干扰阻力 飞机的各个部件，如机翼、机身、尾翼的单独阻力飞机的各个部件，如机翼、机身、尾翼的单独阻力之和小于把它们组合成一个整体所产生的阻力，这种由之和小于把它们组合成一个整体所产生的阻力，这种由于各部件气流之间的相互干扰而产生的额外阻力，称为于各部件气流之间的相互干扰而产生的额外阻力，称为干扰阻力。干扰阻力。干扰阻力的消除干扰阻力的消除干扰阻力在飞机总阻力中所占比例较小。干扰阻力在飞机总阻力中所占比例较小。飞机各部件之间的平滑过渡和整流片，可以有效地飞机各部件之间的平滑过渡和整流片，可以有效地减小干扰阻力的大小。减小干扰阻力的大小。诱导阻力诱导阻力 由于翼尖涡的诱导，导致气流下洗，在平行于相对由于翼尖涡的诱导，导致气流下洗，在平行于相对气流方向出现阻碍飞机前进的力，这就是诱导阻力。气流方向出现阻碍飞机前进的力，这就是诱导阻力。I.翼尖涡的形成翼尖涡的形成 正常飞行时，下翼面的压强比上翼面高，在上下翼面压正常飞行时，下翼面的压强比上翼面高，在上下翼面压强差的作用下，下翼面的气流就会绕过翼尖流向上翼面。强差的作用下，下翼面的气流就会绕过翼尖流向上翼面。这样形成的漩涡流称为翼尖涡。（这样形成的漩涡流称为翼尖涡。（注意旋转方向注意旋转方向）正常飞行时，下翼面的压强比上翼面高，在上下翼面压强差的作用正常飞行时，下翼面的压强比上翼面高，在上下翼面压强差的作用下，下翼面的气流就会绕过翼尖流向上翼面，就使下翼面的流线由机翼下，下翼面的气流就会绕过翼尖流向上翼面，就使下翼面的流线由机翼的翼根向翼尖倾斜，上翼面反之。的翼根向翼尖倾斜，上翼面反之。I.翼尖涡的形成翼尖涡的形成I.翼尖涡的形成翼尖涡的形成 由于上、下翼面气流由于上、下翼面气流在后缘处具有不同的流在后缘处具有不同的流向，于是就形成旋涡，向，于是就形成旋涡，并在翼尖卷成翼尖涡，并在翼尖卷成翼尖涡，翼尖涡向后流即形成翼翼尖涡向后流即形成翼尖涡流。尖涡流。翼尖涡形成的进一步分析翼尖涡形成的进一步分析注意旋转方向注意旋转方向翼尖涡的立体形态翼尖涡的立体形态翼尖涡的形态翼尖涡的形态II.下洗流（下洗流（DownWash）和下洗角）和下洗角 由于两个翼尖涡的存在，会导致在翼展范围内出现一由于两个翼尖涡的存在，会导致在翼展范围内出现一个向下的诱导速度场，称为下洗。在亚音速范围内，这个向下的诱导速度场，称为下洗。在亚音速范围内，这下洗速度场会覆盖整个飞机所处空间范围。下洗速度场会覆盖整个飞机所处空间范围。下洗角下洗角 下洗速度的存在，改变了翼型的气流方向，使流过翼下洗速度的存在，改变了翼型的气流方向，使流过翼型的气流向下倾斜，这个向下倾斜的气流称为下洗流，型的气流向下倾斜，这个向下倾斜的气流称为下洗流，下洗流与相对气流之间的夹角称为下洗角下洗流与相对气流之间的夹角称为下洗角。下洗速度沿翼展分布下洗速度沿翼展分布 不同平面形状的机翼，沿展向下洗速度的分布是不不同平面形状的机翼，沿展向下洗速度的分布是不一样的。一样的。III.诱导阻力的产生诱导阻力的产生 有限展长机翼与无限展长机翼相比，由于前者存在翼有限展长机翼与无限展长机翼相比，由于前者存在翼尖涡和下洗速度场，导致前者的总空气动力较后者更加后尖涡和下洗速度场，导致前者的总空气动力较后者更加后斜，即前者总空气动力沿飞行速度方向（即远前方相对气斜，即前者总空气动力沿飞行速度方向（即远前方相对气流方向）的分量较后者更大。这一增加的阻力即为诱导阻流方向）的分量较后者更大。这一增加的阻力即为诱导阻力。力。LLD影响诱影响诱导阻力的因素导阻力的因素机翼平面形状机翼平面形状：椭圆形机翼的诱导阻力最小。椭圆形机翼的诱导阻力最小。展弦比越大展弦比越大，诱导阻力越小，诱导阻力越小升力越大，诱导阻力越大升力越大，诱导阻力越大平直飞行中，平直飞行中，诱导阻力与飞行速度平方成反比诱导阻力与飞行速度平方成反比翼梢小翼可以减小诱导阻力翼梢小翼可以减小诱导阻力低展弦比使翼尖涡变低展弦比使翼尖涡变强，诱导阻力增加。强，诱导阻力增加。高展弦比使翼尖涡减高展弦比使翼尖涡减弱，诱导阻力变小。弱，诱导阻力变小。展弦比对诱导阻力的影响展弦比对诱导阻力的影响展弦比对诱导阻力的影响展弦比对诱导阻力的影响机翼展弦比倒数机翼展弦比倒数诱导阻力系数减少的百分比诱导阻力系数减少的百分比升力系数不变升力系数不变高展弦比飞机高展弦比飞机空速大小对诱导阻力大小的影响空速大小对诱导阻力大小的影响阻力阻力诱导阻力诱导阻力空速空速空速小，下洗角空速小，下洗角大，诱导阻力大大，诱导阻力大空速大，下洗角空速大，下洗角小，诱导阻力小小，诱导阻力小翼梢小翼翼梢小翼翼梢小翼可以减小诱导阻力翼梢小翼可以减小诱导阻力翼梢小翼可以减小诱导阻力翼梢小翼可以减小诱导阻力 翼梢小翼改变了机翼沿展向分布的翼载荷。翼梢小翼改变了机翼沿展向分布的翼载荷。翼梢小翼可以减小总阻力翼梢小翼可以减小总阻力阻力公式阻力公式飞机的阻力系数飞机的阻力系数飞机的飞行动压飞机的飞行动压机翼的面积。机翼的面积。回顾阻力组成回顾阻力组成摩擦阻力摩擦阻力(Skin Friction Drag)压差阻力压差阻力(Form Drag)干扰阻力干扰阻力(Interference Drag)诱导阻力诱导阻力(Induced Drag)废阻力废阻力(Parasite Drag)阻力相关资料阻力相关资料典型飞机阻力构成典型飞机阻力构成阻力名称阻力名称亚音速运输机亚音速运输机超音速战斗机超音速战斗机单旋翼直升机单旋翼直升机摩擦阻力摩擦阻力45%23%25%诱导阻力诱导阻力40%29%25%干扰阻力干扰阻力7%6%40%激波阻力激波阻力3%35%5%其他阻力其他阻力5%7%5%总空气动力总空气动力 升力和阻力之和称为总空气动力。升力和阻力之和称为总空气动力。