空氣動力學與飛行器設計

空氣動力學與飛行器設計2021/6/271人們常問的問題：空氣動力是什么，是怎樣產生的？重于空氣的飛行器怎么能飛？飛行器設計中的關鍵問題是什么？現代及未來飛行器是什么樣的？空氣動力學的應用范圍有哪些？、、、2021/6/272

主要內容前言飛行中的力學現象CFD在飛行器設計中的重要作用空氣動力學研究動態(tài)2021/6/273前言現代飛行器的主要特點現代飛行器設計對研究方法的要求飛行器設計的主要研究方法回上級目錄2021/6/274現代飛行器的主要特點民用飛行器(貨運飛機、客運飛機等)航程/航時長有效載重大運行成本低安全性高軍用飛行器(運輸機、轟炸機、戰(zhàn)斗機等)

機動性隱身性載彈量抗打擊能力進攻/防衛(wèi)能力2021/6/275現代飛行器的主要特點(續(xù))先進飛行器(戰(zhàn)斗機)設計特點翼身融合設計鴨式布局(跨、超聲速飛行器)乘波外形設計(高超聲速飛行器)機體/進排氣一體化設計氣動/隱身一體化設計綜合性能優(yōu)化設計典型飛行器演示圖片2021/6/276X322021/6/277X322021/6/278X352021/6/279B22021/6/27102021/6/27112021/6/2712法國Rafale戰(zhàn)機回上級目錄2021/6/2713現代飛行器設計方法的要求周期短成本低可重復實驗結果可靠可提供飛行器設計所需的參數回上級目錄2021/6/2714飛行器設計的主要研究方法風洞試驗：Wind-tunnelExperiment數值試驗/模擬:NumericalSimulation飛行試驗：FlyingTest理論分析:TheoreticalAnalysis回上級目錄2021/6/2715風洞試驗風洞實驗是實驗空氣動力學中的一個重要的研究方法。風洞：是一種設備，利用相似準則，能夠在地面模擬飛行器在大氣中的飛行，并進行數據采集及處理。世界上第一座風洞：1891，韋納姆為飛行器設計及飛行試驗提供技術參數。優(yōu)點：能模擬飛行環(huán)境。缺點：成本高、周期長、技術難度大。2021/6/2716風洞試驗(續(xù))隨著電子、激光、熱線、液晶、光導、微型傳感器等技術的發(fā)展，目前風洞試驗可以模擬飛行器的大部分飛行環(huán)境、參數及模態(tài)。如：大氣湍流、突風、大雨、結冰等音爆、噪聲等氣動熱：高超聲速垂直起落、俯仰(偏航)震蕩、搖滾、尾旋等2021/6/2717南航NH-1風洞2021/6/2718南航高超聲速風洞(NHW)2021/6/2719南航高超聲速風洞(NHW)2021/6/2720南航高超聲速風洞(NHW)2021/6/2721南航高超聲速風洞(NHW)2021/6/2722數值試驗/模擬數值模擬是計算流體力學中的核心。數值模擬：利用高性能計算機，通過數值求解流動模型的控制方程，得到全流場離散點上的流動參數，進而達到模擬流動狀態(tài)及過程的目的。作用：揭示流動機理解釋流動現象數值仿真2021/6/27232021/6/2724飛行試驗根據數值模擬結果與風洞試驗結果，制造原形樣機，進行實際飛行，以測試飛行器的設計指標。一般需要3~5架原型機進行實驗?；厣霞壞夸?021/6/2725飛行中的力學現象飛行器所受的力飛行器所受的力矩典型的流動現象超機動飛行2021/6/2726飛行中的力學現象

飛行器所受的力升力：又稱舉力，克服重力，抬起飛行器阻力：含摩擦阻力、壓差阻力等推力：推進系統(tǒng)提供重力：飛行器自身重量問題：升力/阻力是怎樣產生的？2021/6/2727速度與壓力的關系：伯努利公式

此式表明：當密度為定值時(不可壓流)，流速越大的地方，壓力越小。飛行中的力學現象

升力的產生(1)2021/6/2728飛行中的力學現象

升力的產生(2)簡單地說：上下翼面的壓力差產生了升力2021/6/2729迎角的定義問題：航海中，為什么規(guī)定兩艘船平行航行時，不能靠的太近？2021/6/2730壓差阻力：由上下翼面的壓力差產生了升力，同時，前后翼面的壓力差會產生阻力。摩擦阻力：由于氣流具有粘性，在物面上會出現剪切應力，切向應力形成摩擦力。理想流體：無粘、不可壓流體實際流體：有粘、可壓流體飛行中的力學現象

阻力的產生2021/6/2731飛行中的力學現象

空氣的粘性實際上，空氣是有粘性的。在研究流體流動機理方面，這些粘性效應是不容忽視的。在日常生活中，由于空氣粘性很小而不容易察覺?，F實例子：河中間的河水流速比岸邊快粘性影響下，飛行器表面的氣流應該具有與當地物面相同的速度。(在相對坐標系下，物體不動，氣流以一定的速度流過物體，此時，物面空氣質點的速度應該為零)2021/6/2732飛行中的力學現象

粘性效應速度的分層，粘性流動的速度型2021/6/2733飛行中的力學現象

粘性效應(續(xù))流體微團的變形，切應力的產生2021/6/2734飛行中的力學現象

飛行器所受的力矩俯仰力矩：使飛行器抬頭或低頭偏航力矩：使飛行器航向發(fā)生改變滾轉力矩：使飛行器繞機體軸滾轉2021/6/2735飛行中的力學現象

典型流動現象(I)擾動傳播的四種情況：假設：擾動以聲速傳播。定義：馬赫數(M)=飛行速度/聲速I.M=0II.M<12021/6/2736飛行中的力學現象

典型流動現象(I)III.M=1IV.M>12021/6/2737

激波

激波前后流場

物理量的變化飛行中的力學現象

典型流動現象(I)2021/6/2738激波隨物體形狀的變化2021/6/2739飛機周圍的激波2021/6/2740飛行中的力學現象

典型流動現象(II)機翼翼梢脫出的渦索2021/6/2741飛行中的力學現象

典型流動現象(III)物體后方的渦系結構，渦的產生、破碎2021/6/2742飛行中的力學現象

典型流動現象(III)物體后方的渦系結構，渦干擾2021/6/2743飛行中的力學現象

典型流動現象(IV)紊流流動2021/6/2744飛行中的力學現象

典型流動現象(IV)無粘流與粘性流動的比較2021/6/2745飛行中的力學現象

典型流動現象(V)流動隨迎角的變化2021/6/2746飛行中的力學現象

超機動飛行“眼鏡蛇”機動2021/6/2747眼鏡蛇機動2021/6/2748眼鏡蛇機動2021/6/2749SU-37超機動表演飛行中的力學現象

超機動飛行回上級目錄2021/6/2750CFD在飛行器設計中的作用正問題：

給定飛行器外形，計算氣動載荷、氣動力及飛行器氣動性能反問題：

給定氣動性能要求，尋求符合要求的飛行器氣動外形綜合優(yōu)化設計過程2021/6/2751CFD在飛行器設計中的作用(續(xù))CFD的重要作用以較小的花費獲取較全面的信息。如：數值模擬周期短采用CFD技術，波音747飛機的風洞試驗次數減少了70%，研制周期比預定縮短了2年。模擬軟件的功能可不斷更新、擴充2021/6/2752CFD在飛行器設計中的作用(續(xù))世界各國的航空航天界對CFD都非常重視科研單位大學型號單位等數值風洞代替大量實際風洞試驗2021/6/2753CFD在飛行器設