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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 | 16791 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......

雷諾數效應:相對于每一點流體的速度,邊界層中由質量產生的慣性力和粘性力的比才是重要的。這一比率將隨季節情況和高度的不同有少許的變化。

邊界層雷諾數

應用于機翼弦長的雷諾數和在邊界層本身內部的雷諾數是不同的。當氣流到達機翼前緣時,在駐點開始分成兩股氣流,一股從上面流過,一股從下面流過。在邊界層中的這一點由于與表面的距離是零,所以雷諾數也是零。邊界層流動從駐點開始,沿著機翼表面移動,在每一點的雷諾數取決于那點處從駐點開始沿機翼外形測量的距離。因此,邊界層內的雷諾數也隨著從駐點開始算起的距離增加而增加。

層流邊界層

層流引起的表面摩擦要比湍流小得多。在層流邊界層中,空氣以非常平滑的方式流動。好像流體的每一微層是一個單獨的薄層或薄片,他們滑過其他層時,在兩層之間只存在微小的粘性或粘性應力。在層與層之間沒有空氣微團上下運動,最低的一層粘附在表面上,它上面的一層平滑的流過這一薄層,再下一層以此類推。直到邊界層的最外面,幾乎以主流的速度移動。

轉捩

小的表面缺陷,如粗糙部位、油漆斑點、飛行微粒,或者模型上蒙皮的瑕疵和翼梁的突出部分引起的氣流顛簸等,往往會干擾層流邊界層。層流流動在某一個位置將達到一個臨界點,在這一點上由表面不規則引起的小的脈動將繼續保持下去而不會被衰減掉,在該點一小段距離之后,任何小的擾動都將克服阻尼效應。一個明顯的波紋或粗糙表面很快會引起這個現象,也就是在低雷諾數時,層流流動突然被破壞,并轉捩為一個到湍流的流動。

湍流邊界層

在湍流邊界層中,沒有微小的滑流層系統,取而代之的是空氣微團,空氣微團的移動有很大的自由度,在通常的主流方向之外還可以向上和向下移動。雖然任意一個微團以不穩定的速度單獨移動,但是在靠近表面的湍流邊界層最低部分的平均速度要比轉捩之前大得多。這會導致表面摩擦的增加,但因為微團運動的更快,他們有更大的動量而不容易停止。隨著雷諾數增加,湍流邊界層厚度繼續增加。一個沒有污染、波紋和其他缺陷的光滑表面可以推遲轉捩。在這樣的表面上的轉捩發生在更靠后的位置,邊界層中的臨界雷諾數也較高。粗糙的表面或相對有較大波紋或顛簸的表面會使轉捩前移,減小了臨界雷諾數。

層流分離

在機翼前面部分的上下表面上,壓力隨著氣流從駐點加速而減小。外面的層流受到粘性的牽引,加速的氣流會把加速動量一層一層向下傳遞,因此整個邊界層獲得了動量,所以增加的速度有助于保持層流流動,使得機翼上即使有很大的鼓包或缺陷都可以被克服而不發生轉捩。

當氣流到達最小壓力點時,主流速度開始減慢,牽引最外面層流的力減小。這將抑制外層邊界層,使它也開始減慢。這種減慢的影響同前面提到的主流加速牽引層流動的現象一樣,從邊界層外向內傳遞。最靠近表面的層流的運動從來不會很快,它只需一個很小的減速就可以停止。因此,最低壓力點后面很小的一段距離外邊界層緩慢的最下部分的層流就中斷了。氣流在這一點是停滯的,而且阻止了上面層流氣流的流入。減速持續距離越長,邊界層速度減慢就越多。隨著停滯阻礙范圍的增加,迫使邊界層其他部分一起離開機翼表面。這就是層流分離。

氣泡分離

在較好的情況下,如在最小壓力點后氣流減速緩慢,在層流分離后面發生湍流再附著。停滯空氣擾動的阻礙對邊界層的阻礙就相當于機翼上的小突起或鼓包,如果在這一點雷諾數足夠大,就可以使氣流轉捩到湍流。湍流邊界層厚度的增加把氣流帶回到機翼表面,把停滯區(也叫分離氣泡)留在下面。之后,湍流邊界層繼續克服壓力梯度,可能達到機翼后緣而不再分離。邊界層最低層空氣微團因為有較大動量,可以克服企圖阻止他們的壓力,從而繼續向后移動。

在分離氣泡中有一個局部的孤立的環流流動,它是由最靠近表面的空氣層前向流形成的。表現為形成了一個非常扁的渦,并沿展向擴展。在氣泡之后還會有一個側向的渦,他們或多或少的沿弦向排列。

層流分離氣泡幾乎總會發生在模型飛機機翼上,通常采用湍流發生器等設備來阻止其出現。大迎角下,在很多翼面上的最小壓力點都會前移,分離氣泡緊跟在后面,有時很短。這時在氣泡后面的湍流邊界層可能沒有足夠的能量使氣流再在翼面上完全附著,并可能在到達機翼后緣之前的某點處發生分離。隨著迎角繼續增大,分離點幾乎移到了機翼前緣,最終導致渦破裂。這就是大多數模型機翼失速的原因。

低雷諾數的直接結果就是過早失速。大型機翼在高速下,由于雷諾數高,層流流動在機翼前緣后面不會保持很遠。并且表面上小缺陷會使轉捩很早發生,而不會產生分離氣泡。因此,全尺寸有動力飛機不存在層流分離問題。當確實發生分離的時候,通常在機翼后緣處開始。

來源:EDN 電子技術設計網站,僅作學術交流,如有侵權請聯系刪文


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