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淺談無人機上用到的空氣動力學知識
來源:EDN 電子技術設計網站 | 作者:光明網 | 發布時間: 2021-12-17 | 16793 次瀏覽 | 分享到:
所有的空氣動力學都是建立在運動定律之上。在航空模型上的空氣動力學中,主要運用牛頓創立的三大運動定律......

翼載重量與機翼面積之比

機翼升力系數和翼型升力系數,整個模型或整個機翼的升力系數,不應與風洞中實驗的單個翼型升力系數混淆。尾翼對模型升力系數的貢獻是一個非常復雜的問題,飛行器的升力系數通常由機翼面積來確定。

伯努利定理

當空氣遇到任何物體,比如機翼,空氣就會產生偏轉,一些空氣從機翼上表面通過,一些機翼從下表面通過。在這個流動過程中會產生復雜的速度和壓力變化,要產生升力,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,流線上任意兩點的壓力勢能、動能與位勢能之和保持不變。

 

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

升力的來源

在機翼上,壓力最高點就是所謂的駐點,在駐點處是空氣與前緣相遇的地方??諝庀鄬τ跈C翼的速度減小到零,由伯努利定理知道該點壓力最大。上翼面和下翼面的空氣必須從這個點由靜止加速離開。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。盡管在這個迎角下沒有產生升力,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,機翼處于失速狀態。氣流分離在小范圍內是一種普遍現象,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”。

環流和附著渦

氣流以一定的角度流經翼型時會出現偏轉,導致翼型前方的上洗和后方的下洗。這個偏轉的出現打破了氣流的平衡,流線的運動就像是一團旋轉的空氣柱,即一個渦,這樣的渦將導致流動的偏轉、上洗、下洗。

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

阻力、升阻比

模型的所有部件,包括機翼、尾翼、機身,以及每個暴露在空氣中的部件,都會產生阻力。即使是在飛機發動機罩、機輪整流罩里面的部件,只要有空氣流過就會產生阻力。

隨著升力的出現,阻力也會隨之產生。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,阻力系數就像升力系數一樣,綜合了模型的所有特性。

  

對于水平飛行升阻比是一個常數(忽略燃油的消耗)。推力的大小可以通過改變油門來調節,進而可以改變阻力大小。低速時,水平飛行狀態阻力減小到一個值,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到最低速度,總的阻力系數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,模型達到最大升阻比。

渦阻力

從機翼翼尖或任意表面拖出的渦聯系在一起,這些渦產生了升力。渦的出現是直接跟升力聯系在一起的,給定機翼的升力系數越高,渦的影響越明顯。升阻比在低速狀態下會降低,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

模型飛機和全尺寸飛機之間空氣動力學的最大區別在于邊界層,它是靠近機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系。在覆蓋表面的邊界層中的流體加速或減速情況下,由質量和粘性產生的力相互作用,有時彼此增強,有時相互抵消。

全尺寸機翼在高速情況下,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。而對于模型機翼在低速情況下,粘性力相對更加重要。

雷諾數

有兩種不同類型的流體:層流和湍流(由奧斯本.雷諾實驗發現),它們可以在特定的條件下互相轉變。邊界層的任一點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合到一起形成一個量,就是雷諾數。

 雷諾數= 密度/粘性*速度*長度

符號表示為:Re = ρVL/μ

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