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[科普中国]-翼面阻力

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翼面升力与阻力

根据运动的转换原理,可以认为在空中飞行的飞机是不动的,而空气以同样的速度流过飞机,这样可以使问题简化。如图所示,当气流流过翼型时,由于翼型的上表面凸些,这里的流线变密,流管变细,相反翼型的下表面平坦些,这里的流线变化不大(与远前方流线相比)。根据连续性定理和伯努利定理可知,在翼型的上表面,由于流管变细,即流管截面积减小,气流速度增大,故压强减小;而翼型的下表面,由于流管变化不大使压强基本不变。这样,翼型上下表面产生了压强差,形成了总空气动力R, R的方向向后向上。按平行四边形法则,根据它们实际所起的作用,可把R分成两个分力:一个与气流速度v垂直,起支托飞机重量的作用,就是升力Y;另一个与流速v平行,起阻碍飞机前进的作用,就是阻力X。

此时产生的阻力除了摩擦阻力外,还有一部分是由于翼型前后压强不等引起的,称之为压差阻力。总空气动力R与翼弦的交点叫做压力中心。好像整个空气动力都集中在这一点上,作用在翼面上。1

附面层与摩擦阻力由于空气是有黏性的,所以当它流过机翼时,就会有一层很薄的气流被“黏”在机翼表面上。这个流速受到阻滞的空气流动层就叫做附面层。被认为是附面层的厚度通常取流速达到0. 99 v。根据作用和反作用定理处为附面层边界,由机翼表面到该处的距离,受阻滞的空气必然会给机翼表面一个与飞行方向相反的作用力,这就是摩擦阻力。

附面层中气流的流动情况是不同的(见图)。一般机翼大约在最大厚度以前,附面层的气流不相混淆而成层地流动,而且底层的速度梯度较小,这部分叫做层流附面层。在这之后,气流的流动转变成杂乱无章,并且出现了旋涡和横向流动,而且贴近翼面的速度梯度也较大,这部分叫做紊流附面层。层流转变为紊流的那一点称为转捩点。在紊流之后,附面层脱离了翼面而形成大量的旋涡,这就是尾迹。

总的说来,摩擦阻力的大小,取决于空气的茹性、飞机的表面状况以及同空气接触的飞机表面面积等。
为了减小摩擦阻力,就希望尽量延长层流段。选用最大厚度位置靠后的层流翼型,就有可能使转捩点位置后移。但是转捩点的位置不是固定不变的,随着气流速度、原始紊流度、翼型制造误差及表面粗糙度的增加,都将使转捩点前移而导致摩擦阻力的增加。

压差阻力“压差阻力”的产生是由于运动着的物体前后所形成的压强差所形成的。压强差所产生的阻力就是“压差阻力”。压差阻力同物体的迎风面积、形状和气流中的位置都有很大的关系。

物体形状对压差阻力也有很大的作用。把一块圆形的平板,垂直地放在气流中。流经它的气流会很快发生分离,分离点后产生大量的涡流,使平板前后形成很大的压差阻力。如果在圆形平板的前面加上一个圆锥体,它的迎风面积并没有改变,但形状却变了。平板前面的高压区,这时被圆锥体填满了。气流可以平滑地流过,压强不会急剧升高,同时,气流的分离点向后移动,使木板后的涡流区变小。虽然这时平板后面仍有气流分离,低压区仍然存在,但是前后的压强差却大为减少,因而压差阻力必然会降低到原来平板压差阻力的大约五分之一。

如果在平板后面再加上一个细长的圆锥体,把充满旋涡的低压区也填满,气流分离点出现的更晚,使得物体后面只出现很少的旋涡,那么实验证明压差阻力将会进一步降低到原来平板的大约二十到二十五分之象这样前端圆纯、后面尖细,象水滴或雨点似的物体,叫做“流线型物体”,简称“流线体”。在迎风面积相同的条件下,它的压差阻力最小。这时阻力的大部分是摩擦阻力。除了物体的迎风面积和形状外,物体在气流中的位置也影响到压差阻力的大小。2

机翼的下洗流和诱导阻力有限翼展的横向气流不但直接影响了翼面的压强分布,而且在机翼后面形成一个涡流面,并很快卷成两根翼尖涡束向后延伸出去,这两束涡流称为自由涡。在此自由涡的旋转气流作用下,机翼展长范围内的空气将产生一个向下的速度W,称为下洗速度。离开旋涡中心越近,下洗速度的数值越大。相对于翼型流动情况来说,这时气流流过机翼每一个剖面的流动情况也都有了变化。如图所示,当气流以速度V、迎角a流向机翼时,由于翼尖自由涡的影响使得在该剖面处的气流附加了一个下洗速度w。这样,该切面处气流的有效速度为,迎角则变为c=a+b,b称为下洗角,按照升力是和相对气流方向垂直的气动力定义,该剖面的升力dY,将垂直于,即与不考虑自由涡引起下洗情况相比,升力方向向后顾斜了一个下洗角。机翼各个剖面处气流的下洗速度不同,下洗角也不同,因此各剖面升力后倾的情况也不同。但是,总的机翼升力仍是垂直于远前方来流V方向的空气动力,因此,机翼各剖面上气动力dY,在垂直于V方向上的投影之和即为机翼的总升力,各剖面上作用的气动力dY,在V方向的分量之和,即为考虑自由涡引起气流下洗而增加的切向气动力,称为诱导阻力X。在空气动力学中常用诱导阻力系数C来表示,即。3