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浅谈无人机上用到的空气动力学知识
来源:EDN 电子技术设计网站 | 作者:光明网 | 发布时间: 2021-12-17 | 11064 次浏览 | 分享到:
所有的空气动力学都是建立在运动定律之上。在航空模型上的空气动力学中,主要运用牛顿创立的三大运动定律......

翼载重量与机翼面积之比

机翼升力系数和翼型升力系数,整个模型或整个机翼的升力系数,不应与风洞中实验的单个翼型升力系数混淆。尾翼对模型升力系数的贡献是一个非常复杂的问题,飞行器的升力系数通常由机翼面积来确定。

伯努利定理

当空气遇到任何物体,比如机翼,空气就会产生偏转,一些空气从机翼上表面通过,一些机翼从下表面通过。在这个流动过程中会产生复杂的速度和压力变化,要产生升力,上下表面必须存在压差才可以。

伯努利定律:流体在忽略粘性损失的流动中,流线上任意两点的压力势能、动能与位势能之和保持不变。

 

经过任何物体的流动,只要是流线型的流动,就会产生相似的流体变形,同时伴随着速度和压力的变化。

升力的来源

在机翼上,压力最高点就是所谓的驻点,在驻点处是空气与前缘相遇的地方。空气相对于机翼的速度减小到零,由伯努利定理知道该点压力最大。上翼面和下翼面的空气必须从这个点由静止加速离开。在一定的来流速度下,如果对称翼型的迎角是增大的,上下表面的压力差会一直增大到某个值。

一个有弯度的翼型,尽管弦线位置可能是几何零迎角,但平均压力和升力与对称翼型仍存在差异。在某些几何迎角为负的位置上,上下表面的压力是可能相等的,因此大弯度翼型存在一个零升迎角,这是翼型的气动力零点。尽管在这个迎角下没有产生升力,由于翼型弯度的存在,上下表面的特征是不一样的。

升力系数有一个明确的极限值,如果迎角太大或是弯度增加太多的话,流线型就会被破坏并流动从机翼上分离。分离改变了上下表面的压力差,升力被大幅度降低,机翼处于失速状态。气流分离在小范围内是一种普遍现象,气流在上下表面可能分离,也可能分离后再附着,这就是所谓的“气泡分离”。

环流和附着涡

气流以一定的角度流经翼型时会出现偏转,导致翼型前方的上洗和后方的下洗。这个偏转的出现打破了气流的平衡,流线的运动就像是一团旋转的空气柱,即一个涡,这样的涡将导致流动的偏转、上洗、下洗。

涡旋转速度的大小将决定产生多大的升力。实际上流经翼型上下表面的气流并不会转圈,很多实验表面这个旋转的涡确实能产生升力。这个附着涡的主要价值是:使得流经翼型的流动可以通过理想涡环流的强度来计算,这个方法在计算升力沿真实机翼展向分布的时候特别有用。机翼的末端,附着涡是存在的,只是它变成一对拖拽着翼尖漩涡,这对涡确实是旋转的,并且可以观测到。

阻力、升阻比

模型的所有部件,包括机翼、尾翼、机身,以及每个暴露在空气中的部件,都会产生阻力。即使是在飞机发动机罩、机轮整流罩里面的部件,只要有空气流过就会产生阻力。

随着升力的出现,阻力也会随之产生。影响阻力的因素有飞行速度、空气密度、模型的外形及其尺寸,阻力系数就像升力系数一样,综合了模型的所有特性。

  

对于水平飞行升阻比是一个常数(忽略燃油的消耗)。推力的大小可以通过改变油门来调节,进而可以改变阻力大小。低速时,水平飞行状态阻力减小到一个值,升力还是等于重力,所以升阻比增加了。这种阻力降低的趋势不会一直持续到最低速度,总的阻力系数在速度降低到某一值时反而会急剧的增加,它足以抵消速度的减小。因此,在这个速度上,模型达到最大升阻比。

涡阻力

从机翼翼尖或任意表面拖出的涡联系在一起,这些涡产生了升力。涡的出现是直接跟升力联系在一起的,给定机翼的升力系数越高,涡的影响越明显。升阻比在低速状态下会降低,涡阻力的增加是一个主要因素。模型的涡阻力随着速度的降低而大大增加。

翼型阻力

形阻是气流的经过,物体周围压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气和模型表面接触而产生的,蒙皮摩阻很大程度上是由气流的速度决定的,而流向后方的流体的速度是由物体的外形来决定的。在考虑翼型时,形阻和摩阻通常一起考虑,为此我们常称为翼型阻力。

边界层

模型飞机和全尺寸飞机之间空气动力学的最大区别在于边界层,它是靠近机翼或气流流过的任意物体表面很薄的一层空气。

 

空气的两个属性,质量和粘性决定了边界层的行为。粘性可以粗略地描述为任意流体的粘附性,粘性同空气的密度一样是无法控制的,像空气一样,粘性随温度和空气压力的变化而不同。惯性阻碍位置或速度的改变,粘性抵抗剪流,保持流体和物体表面的联系。在覆盖表面的边界层中的流体加速或减速情况下,由质量和粘性产生的力相互作用,有时彼此增强,有时相互抵消。

全尺寸机翼在高速情况下,流体的速度较大,表面的曲率半径相对较大,质量惯性是主要的,粘性的作用虽然不能忽略,但影响很小。而对于模型机翼在低速情况下,粘性力相对更加重要。

雷诺数

有两种不同类型的流体:层流和湍流(由奥斯本.雷诺实验发现),它们可以在特定的条件下互相转变。边界层的任一点是哪种流动类型取决于表面的波纹度、粗糙度,离开表面一定距离的主流速度,流体在表面上流过的距离和流体的密度与粘性之比,这些因素中任何一个因素的变化都会带来边界层中的变化。雷诺把除了表面情况以外的量都结合到一起形成一个量,就是雷诺数。

 雷诺数= 密度/粘性*速度*长度

符号表示为:Re = ρVL/μ