[科普中国]-气动中心

内容

翼型表面的力：翼型在流场中所受的力是作用在上下翼面的分布力的合力，分布力有两种：一种是法向 力，即压力；另一种是切向力，即摩擦力。但在理论计算中由于切向的摩擦力微乎其微，所以一般忽略不计。同时，定义和远前方来流相垂直的合力为升力L，与远前方来流方向一致的合力为阻力D

俯仰力矩：由理论力学可知，平面力系可以合成到作用在某个指定点上的一个力和一个力矩，所以沿翼面分布的法向力（压力）也可以合成为一个力和一个力矩，这个力矩命名为俯仰力矩。

在一定的雷诺数下，不论迎角是多少，每次都将力系合成到一个特殊的点，使得这一点的俯仰力矩都一样大，那么这个点就叫做气动中心点，又称作焦点。1

重点关于气动中心的概念有两个重点：

气动中心与压力中心不同：压力中心是力系合成到一个特殊点时，使得这个点的合力矩为0的点，压力中心在气动中心的后面；而气动中心是使得合力矩不变的点。压力中心的位置随着迎角的改变而改变，当迎角增大，升力增大，压力中心前移，这同时使得压力中心与气动中心的距离缩短，增大的升力与缩短力臂乘积刚好是不变的力矩，这也正是气动中心的定义所要求的。

不同雷诺数、不同翼型气动中心位置不一样：翼型准确的气动中心位置主要是通过实验测得的，在一些比较全的翼型书中会标有“a.c.position”的字样，同时在下面列举了不同雷诺数所对应的气动中心位置。这些气动中心的位置在不同雷诺数下各不相同，且在垂直弦长方向上并不为0，但在一般的叶片设计、气动模拟计算中，对应雷诺数和翼型的气动中心位置数据不一定能找到，所以将气动中心位置取为弦长1/4处是可以接受的。2

依据采用中弧线坐标 和 表示气动合力对翼型前缘点a的力矩系数：

换算到1/4弦长处的气动中心取矩，得

在气动中心处的力矩系数公式中没有迎角，说明其关于迎角是一个常数，且即便在升力为0的情况下仍有此力矩，这个力矩称作剩余力矩，又作零升力力矩。无论迎角多大，只要对气动中心取矩，其值都等于这个剩余力矩。3

应用风力机变桨调节时，为了避免叶片变桨时气动合力对变桨轴产生交变应力，通常在叶片设计时就将不同翼剖面处翼型的气动中心连线作为叶片的变桨轴，这样做可以在一定程度上避免疲劳破坏，并且对于变桨精度控制也有益处。

在航空领域中，气动中心的相关理论对于飞机俯仰稳定性设计也有一定帮助。2