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淺談無人機(jī)上用到的空氣動力學(xué)知識
來源:EDN 電子技術(shù)設(shè)計網(wǎng)站 | 作者:光明網(wǎng) | 發(fā)布時間: 2021-12-17 | 17578 次瀏覽 | 分享到:
所有的空氣動力學(xué)都是建立在運(yùn)動定律之上。在航空模型上的空氣動力學(xué)中,主要運(yùn)用牛頓創(chuàng)立的三大運(yùn)動定律......

翼載重量與機(jī)翼面積之比

機(jī)翼升力系數(shù)和翼型升力系數(shù),整個模型或整個機(jī)翼的升力系數(shù),不應(yīng)與風(fēng)洞中實(shí)驗(yàn)的單個翼型升力系數(shù)混淆。尾翼對模型升力系數(shù)的貢獻(xiàn)是一個非常復(fù)雜的問題,飛行器的升力系數(shù)通常由機(jī)翼面積來確定。

伯努利定理

當(dāng)空氣遇到任何物體,比如機(jī)翼,空氣就會產(chǎn)生偏轉(zhuǎn),一些空氣從機(jī)翼上表面通過,一些機(jī)翼從下表面通過。在這個流動過程中會產(chǎn)生復(fù)雜的速度和壓力變化,要產(chǎn)生升力,上下表面必須存在壓差才可以。

伯努利定律:流體在忽略粘性損失的流動中,流線上任意兩點(diǎn)的壓力勢能、動能與位勢能之和保持不變。

 

經(jīng)過任何物體的流動,只要是流線型的流動,就會產(chǎn)生相似的流體變形,同時伴隨著速度和壓力的變化。

升力的來源

在機(jī)翼上,壓力最高點(diǎn)就是所謂的駐點(diǎn),在駐點(diǎn)處是空氣與前緣相遇的地方。空氣相對于機(jī)翼的速度減小到零,由伯努利定理知道該點(diǎn)壓力最大。上翼面和下翼面的空氣必須從這個點(diǎn)由靜止加速離開。在一定的來流速度下,如果對稱翼型的迎角是增大的,上下表面的壓力差會一直增大到某個值。

一個有彎度的翼型,盡管弦線位置可能是幾何零迎角,但平均壓力和升力與對稱翼型仍存在差異。在某些幾何迎角為負(fù)的位置上,上下表面的壓力是可能相等的,因此大彎度翼型存在一個零升迎角,這是翼型的氣動力零點(diǎn)。盡管在這個迎角下沒有產(chǎn)生升力,由于翼型彎度的存在,上下表面的特征是不一樣的。

升力系數(shù)有一個明確的極限值,如果迎角太大或是彎度增加太多的話,流線型就會被破壞并流動從機(jī)翼上分離。分離改變了上下表面的壓力差,升力被大幅度降低,機(jī)翼處于失速狀態(tài)。氣流分離在小范圍內(nèi)是一種普遍現(xiàn)象,氣流在上下表面可能分離,也可能分離后再附著,這就是所謂的“氣泡分離”。

環(huán)流和附著渦

氣流以一定的角度流經(jīng)翼型時會出現(xiàn)偏轉(zhuǎn),導(dǎo)致翼型前方的上洗和后方的下洗。這個偏轉(zhuǎn)的出現(xiàn)打破了氣流的平衡,流線的運(yùn)動就像是一團(tuán)旋轉(zhuǎn)的空氣柱,即一個渦,這樣的渦將導(dǎo)致流動的偏轉(zhuǎn)、上洗、下洗。

渦旋轉(zhuǎn)速度的大小將決定產(chǎn)生多大的升力。實(shí)際上流經(jīng)翼型上下表面的氣流并不會轉(zhuǎn)圈,很多實(shí)驗(yàn)表面這個旋轉(zhuǎn)的渦確實(shí)能產(chǎn)生升力。這個附著渦的主要價值是:使得流經(jīng)翼型的流動可以通過理想渦環(huán)流的強(qiáng)度來計算,這個方法在計算升力沿真實(shí)機(jī)翼展向分布的時候特別有用。機(jī)翼的末端,附著渦是存在的,只是它變成一對拖拽著翼尖漩渦,這對渦確實(shí)是旋轉(zhuǎn)的,并且可以觀測到。

阻力、升阻比

模型的所有部件,包括機(jī)翼、尾翼、機(jī)身,以及每個暴露在空氣中的部件,都會產(chǎn)生阻力。即使是在飛機(jī)發(fā)動機(jī)罩、機(jī)輪整流罩里面的部件,只要有空氣流過就會產(chǎn)生阻力。

隨著升力的出現(xiàn),阻力也會隨之產(chǎn)生。影響阻力的因素有飛行速度、空氣密度、模型的外形及其尺寸,阻力系數(shù)就像升力系數(shù)一樣,綜合了模型的所有特性。

  

對于水平飛行升阻比是一個常數(shù)(忽略燃油的消耗)。推力的大小可以通過改變油門來調(diào)節(jié),進(jìn)而可以改變阻力大小。低速時,水平飛行狀態(tài)阻力減小到一個值,升力還是等于重力,所以升阻比增加了。這種阻力降低的趨勢不會一直持續(xù)到最低速度,總的阻力系數(shù)在速度降低到某一值時反而會急劇的增加,它足以抵消速度的減小。因此,在這個速度上,模型達(dá)到最大升阻比。

渦阻力

從機(jī)翼翼尖或任意表面拖出的渦聯(lián)系在一起,這些渦產(chǎn)生了升力。渦的出現(xiàn)是直接跟升力聯(lián)系在一起的,給定機(jī)翼的升力系數(shù)越高,渦的影響越明顯。升阻比在低速狀態(tài)下會降低,渦阻力的增加是一個主要因素。模型的渦阻力隨著速度的降低而大大增加。

翼型阻力

形阻是氣流的經(jīng)過,物體周圍壓力分布不同而造成的阻力。蒙皮摩擦阻力或粘性阻力是由于空氣和模型表面接觸而產(chǎn)生的,蒙皮摩阻很大程度上是由氣流的速度決定的,而流向后方的流體的速度是由物體的外形來決定的。在考慮翼型時,形阻和摩阻通常一起考慮,為此我們常稱為翼型阻力。

邊界層

模型飛機(jī)和全尺寸飛機(jī)之間空氣動力學(xué)的最大區(qū)別在于邊界層,它是靠近機(jī)翼或氣流流過的任意物體表面很薄的一層空氣。

 

空氣的兩個屬性,質(zhì)量和粘性決定了邊界層的行為。粘性可以粗略地描述為任意流體的粘附性,粘性同空氣的密度一樣是無法控制的,像空氣一樣,粘性隨溫度和空氣壓力的變化而不同。慣性阻礙位置或速度的改變,粘性抵抗剪流,保持流體和物體表面的聯(lián)系。在覆蓋表面的邊界層中的流體加速或減速情況下,由質(zhì)量和粘性產(chǎn)生的力相互作用,有時彼此增強(qiáng),有時相互抵消。

全尺寸機(jī)翼在高速情況下,流體的速度較大,表面的曲率半徑相對較大,質(zhì)量慣性是主要的,粘性的作用雖然不能忽略,但影響很小。而對于模型機(jī)翼在低速情況下,粘性力相對更加重要。

雷諾數(shù)

有兩種不同類型的流體:層流和湍流(由奧斯本.雷諾實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)),它們可以在特定的條件下互相轉(zhuǎn)變。邊界層的任一點(diǎn)是哪種流動類型取決于表面的波紋度、粗糙度,離開表面一定距離的主流速度,流體在表面上流過的距離和流體的密度與粘性之比,這些因素中任何一個因素的變化都會帶來邊界層中的變化。雷諾把除了表面情況以外的量都結(jié)合到一起形成一個量,就是雷諾數(shù)。

 雷諾數(shù)= 密度/粘性*速度*長度

符號表示為:Re = ρVL/μ

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