1、空气动力学&飞行原理简述,讲述人：宇粼凌2018.4.15,空气动力学基本原理,牛顿三大定律&伯努利定律:牛一：惯性定律。物体在不受外力干扰的情况下，保持固有状态的性质，如静止或匀速直线运动。牛二：加速度定律。F=ma牛三：作用力与反作用力。伯努利定律：丹尼尔伯努利在1726年首先提出时的内容就是：在水流或气流里，如果速度小，压强就大，如果速度大，压强就小。,伯努利定律,Venturi文丘里管,气流特性,气流特性是指空气在流动中各点流速、压力、密度等参数的变化规律，气流特性是空气动力学的重要研究课题，对飞机的飞行原理非常重要。,2019/7/17,由理想气体状态方程(也称理想气体定律、克拉佩龙
2、方程)pV=nRT可以算出来下表给出部分计算结果(气压为一个标准大气压，温度的单位是摄氏度，空气密度的单位是kg/m3，一律保留3个有效数字)温度 密度-20 1.50-10 1.44 0 1.39 10 1.34 20 1.29 30 1.25 40 1.21 50 1.17 60 1.14 70 1.11 80 1.07 90 1.04100 1.02,空气动力：空气流过物体或物体在空气中运动时，空气对物体的作用力称为空气动力。如有风的时候，我们站着不动，会感到有空气的力量作用在身上；没有风的时候，我们跑步时也感到有空气的力量作用在身上。这是空气动力的表现形式。再如：飞机在飞行中受到的升力
3、和阻力也是空气动力的表现形式。,2019/7/17,气流：流动的空气称为气流，如风。稳定气流和不稳定气流：所谓稳定气流，就是空气流动时，空间各点上的参数不随时间而变化。如果空气流动时，空间各点上的参数随时间而改变，这样的气流就是不稳定气流。以下几个概念及定理都是只适用于稳定气流。,2019/7/17,流线：在稳定气流中，空气微团流动的路线，叫做流线。流线谱：流体流过物体时整个流线组成的图形称为流线谱。根据流线谱可从理论上对空气动力作定性的分析。,2019/7/17,伯努利定律示意图,翼型气流组织,机翼表面的压力分布,机翼表面上各点的压力大小，用箭头长短表示，凡是箭头方向朝外，表示比大气压力低的
4、吸力（负压力）；凡是箭头方向指向机翼表面的，表示比大气压力高的正压。从图可以看出，由于机翼上表面的压力所形成的升力在总升力中占60-80%，而下表面的压力所形成的升力，只占总升力的20-40%。所以不能认为：飞机被支托在空中，主要是空气从机翼下面冲击机翼的结果。,2019/7/17,升力,升力的产生从空气流过机翼的流线谱可以看出：相对气流流过机翼时，分成上下两股，分别沿机翼上表面流过，而在机翼的后缘重新汇合向后流去。因机翼表面突起的影响，上表面流线密集，流管细，其气流流速快、压力小；而下表面流线较稀疏，流管粗， 其气流流速慢，压力较大。因此，产生了上下压力差。这个压力差就是空气动力(R)， 它
5、垂直流速方向的分力就是升力(Y)。升力维持飞机在空中飞行。机翼升力的着力点，即升力作用线与翼弦的交点叫压力中心。,2019/7/17,受力分析翼型,相对气流,翼弦,翼型机翼或尾翼的横剖面形状。,翼弦前后缘之间的连线。,升力公式,阻力的产生 空气动力沿气流方向的分力阻碍飞机在空气中前进的力称为阻力，机翼的阻力包括压差阻力、摩擦阻力和诱导阻力。1压差阻力相对气流流过机翼时，机翼前缘的气流受阻，流速减慢，压力增大；而机翼后缘气流分离，形成涡流区，压力减小。这样，机翼前后产生压力差形成阻力。这个阻力称为 压差阻力。这点可以作如下理解：高速行驶的汽车后面时常扬起尘土，就是由于车后涡流区的空气压力小，吸起
6、灰尘的缘故。2摩擦阻力在飞行中，空气贴着飞机表面流过，由于空气具有粘性，与飞机表面发生摩擦，产 生了阻止飞机前进的摩擦阻力。,2019/7/17,3诱导阻力 伴随升力的产生而产生的阻力称为诱导阻力。诱导阻力主要来自机翼。当机翼产生升力时，下表面的压力比上表面的压力大，下表面的空气会绕过翼尖向上表面流去，使翼尖气流发生扭转而形成翼尖涡流。翼尖气流扭转，产生下洗速度，气流方向向下倾斜，形成洗流升力亦随之向后倾斜。 日常生活中，我们有时可以看到，飞行中的飞机翼尖处拖着两条白雾状的涡流索。这是因为旋转着的翼尖涡流内压力很低，空气中的水蒸汽因膨胀冷却，凝结成水珠，显示出了翼尖涡流的轨迹。4.干扰阻力飞机
7、飞行中各部分气流互相干扰所引起的阻力称之为干扰阻力,2019/7/17,影响升力和阻力的因素,1机翼迎角的影响(1)在一定范围内，机翼迎角增加，升力则增大。因为机翼迎角增加后，机翼上表面气流的流线更加密集，流速更块，压力更小(吸力更大)，压差更大。(2)机翼迎角增加，阻力随之增大。因为随着机翼迎角的增加，机翼后部的涡流区也不断扩大，压力减小；而机翼前部气流压力增大，前后压力差(阻力)增大。机翼升力增加诱导阻力页随之增加。2速度的影响相对气流的速度越大，升力和阻力就越大。实验证明：升力和阻力与速度的平方成正比。(1)根据柏努利定理，机翼上表面的相对气流流速越快，静压越小，上下压力差则越大，升力就
8、越大。(2)气流流速越快，机翼前部的气流动压越大，受档后转换成的静压也就越大，前后压力差也越大。压差阻力越大另外由于相对速度大摩擦阻力也随之增大。,2019/7/17,迎角与升力系数关系,3空气密度的影响空气密度越大，升力和阻力越大。升力、阻力的大小与空气密度成正比。根据动压公式(g=1/2v,2)，空气密度增大后，气流流过机翼时的动压变化大。所以机翼上下的压力差和机翼前后的压力差变化也大4机真的影响(1)面积：升力和阻力与面积成正比。(2)平面形状：机翼产生升力后出现涡流，使上翼面压强增加，下翼面压强减小，机翼升力受到损失，并产生诱导阻力。当机翼平面形状接近椭圆形时，升力损失最小，诱导阻力也
9、较小，平面形状为矩形的机翼升力损失较大，诱导阻力也较大。而梯形机翼居 两者之间，因此椭圆形机翼空气动力性能最好。(3)展弦比：展弦比越大涡流影响所占的比例越小，升力损失和诱导阻力也越小。,2019/7/17,5翼型的影响相对厚度：翼型的最大厚度(c)占翼弦(b)的百分比，称作相对厚度(C-)，表示翼型的厚薄程度。公式：s-=c/b100%中弧线弯度：翼型中线与冀弦之间的最大距离(f)占翼弦(b)的百分比，叫做中弧 线相对弯度(f-)，表示翼型的弯曲程度。公式：f-=f/b100%在一定范围内，翼型的相对厚度、中弧线弯度越大，机翼上表面的流线越密，流速越快，压力越小，因而上下压力差越大，升力也越
10、大，阻力也随之增大。6表面质量的影响飞机表面越光滑，摩擦阻力越小；表面越粗糙，摩擦阻力则越大。飞机各部外形的流线型越好，则阻力越小。,2019/7/17,飞机的增升装置原理,飞机的增升装置主要有前缘缝翼、前缘襟翼、后缘襟翼.增升原理主要是三条：增大机翼弯度、增加机翼面积、增加机翼上表面附面层能量，延缓上表面气流分离。缝翼和襟翼开缝的主要作用就是延缓机翼表面的气流分离，襟翼的作用主要是增加机翼弯度和面积。,2019/7/17,固定翼飞机结构图,固定翼受力分析,固定翼飞机受力示意图,固定翼运动控制原理,飞机立体参考系,旋翼反扭矩,直升机飞行主要靠旋翼产生的拉力。当旋翼由发动机通过旋转轴带动旋转时，
11、旋翼给空气以作用力矩(或称扭矩)，空气必然在同一时间以大小相等、方向相反的反作用 力矩作用于旋翼(或称反扭矩)，从而再通过旋翼将这一反作用力矩传递到直升机 机体上。如果不采取措施予以平衡，那么这个反作用力矩就会使直升机逆旋翼转动方向旋转。,四旋翼受力分析,多旋翼飞行原理,多旋翼飞行器是通过调节多个电机转速来改变螺旋桨转速，实现升力的变化，进而达到飞行姿态控制的目的。 多旋翼飞行原理详解 以四旋翼飞行器为例，飞行原理如下图所示，电机1和电机3逆时针旋转的同时，电机2和电机4顺时针旋转，因此飞行器平衡飞行时，陀螺效应和空气动力扭矩效应全被抵消。与传统的直升机相比，四旋翼飞行器的优势：各个旋翼对机身
12、所产生的反扭矩与旋翼的旋转方向相反，因此当电机1和电机3逆时针旋转时，电机2和电机4顺时针旋转，可以平衡旋翼对机身的反扭矩。,多旋翼飞行原理,一般情况下，多旋翼飞行器可以通过调节不同电机的转速来实现4个方向上的运动，分别为：垂直、俯仰、横滚和偏航。,多旋翼飞行原理,垂直运动，即升降控制 在图（a）中，两对电机转向相反，可以平衡其对机身的反扭矩，当同时增加四个电机的输出功率，旋翼转速增加使得总的拉力增大，当总拉力足以克服整机的重量时，四旋翼飞行器便离地垂直上升；反之，同时减小四个电机的输出功率，四旋翼飞行器则垂直下降，直至平衡落地，实现了沿z轴的垂直运动。当外界扰动量为零时，在旋翼产生的升力等于
13、飞行器的自重时，飞行器便保持悬停状态。保证四个旋翼转速同步增加或减小是垂直运动的关键。,多旋翼飞行原理,俯仰运动，即前后控制 在图（b）中，电机1的转速上升，电机3的转速下降，电机2、电机4的转速保持不变。为了不因为旋翼转速的改变引起四旋翼飞行器整体扭矩及总拉力改变，旋翼1与旋翼3转速该变量的大小应相等。由于旋翼1的升力上升，旋翼3的升力下降，产生的不平衡力矩使机身绕y轴旋转（方向如图所示），同理，当电机1的转速下降，电机3的转速上升，机身便绕y轴向另一个方向旋转，实现飞行器的俯仰运动。,多旋翼飞行原理,横滚运动，即左右控制 与图（b）的原理相同，在图（c）中，改变电机2和电机4的转速，保持电
14、机1和电机3的转速不变，便可以使机身绕x轴方向旋转，从而实现飞行器横滚运动。,多旋翼飞行原理,偏航运动，即旋转控制 四旋翼飞行器偏航运动可以借助旋翼产生的反扭矩来实现。旋翼转动过程中由于空气阻力作用会形成与转动方向相反的反扭矩，为了克服反扭矩影响，可使四个旋翼中的两个正转，两个反转，且对角线上的各个旋翼转动方向相同。反扭矩的大小与旋翼转速有关，当四个电机转速相同时，四个旋翼产生的反扭矩相互平衡，四旋翼飞行器不发生转动；当四个电机转速不完全相同时，不平衡的反扭矩会引起四旋翼飞行器转动。在图（d）中，当电机1和电机3的转速上升，电机2和电机4的转速下降时，旋翼1和旋翼3对机身的反扭矩大于旋翼2和旋翼4对机身的反扭矩，机身便在富余反扭矩的作用下绕z轴转动，从而实现飞行器的偏航运动。,多旋翼飞行原理,Thank you！,
