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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 | 11063 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......

雷诺数效应:相对于每一点流体的速度,边界层中由质量产生的惯性力和粘性力的比才是重要的。这一比率将随季节情况和高度的不同有少许的变化。

边界层雷诺数

应用于机翼弦长的雷诺数和在边界层本身内部的雷诺数是不同的。当气流到达机翼前缘时,在驻点开始分成两股气流,一股从上面流过,一股从下面流过。在边界层中的这一点由于与表面的距离是零,所以雷诺数也是零。边界层流动从驻点开始,沿着机翼表面移动,在每一点的雷诺数取决于那点处从驻点开始沿机翼外形测量的距离。因此,边界层内的雷诺数也随着从驻点开始算起的距离增加而增加。

层流边界层

层流引起的表面摩擦要比湍流小得多。在层流边界层中,空气以非常平滑的方式流动。好像流体的每一微层是一个单独的薄层或薄片,他们滑过其他层时,在两层之间只存在微小的粘性或粘性应力。在层与层之间没有空气微团上下运动,最低的一层粘附在表面上,它上面的一层平滑的流过这一薄层,再下一层以此类推。直到边界层的最外面,几乎以主流的速度移动。

转捩

小的表面缺陷,如粗糙部位、油漆斑点、飞行微粒,或者模型上蒙皮的瑕疵和翼梁的突出部分引起的气流颠簸等,往往会干扰层流边界层。层流流动在某一个位置将达到一个临界点,在这一点上由表面不规则引起的小的脉动将继续保持下去而不会被衰减掉,在该点一小段距离之后,任何小的扰动都将克服阻尼效应。一个明显的波纹或粗糙表面很快会引起这个现象,也就是在低雷诺数时,层流流动突然被破坏,并转捩为一个到湍流的流动。

湍流边界层

在湍流边界层中,没有微小的滑流层系统,取而代之的是空气微团,空气微团的移动有很大的自由度,在通常的主流方向之外还可以向上和向下移动。虽然任意一个微团以不稳定的速度单独移动,但是在靠近表面的湍流边界层最低部分的平均速度要比转捩之前大得多。这会导致表面摩擦的增加,但因为微团运动的更快,他们有更大的动量而不容易停止。随着雷诺数增加,湍流边界层厚度继续增加。一个没有污染、波纹和其他缺陷的光滑表面可以推迟转捩。在这样的表面上的转捩发生在更靠后的位置,边界层中的临界雷诺数也较高。粗糙的表面或相对有较大波纹或颠簸的表面会使转捩前移,减小了临界雷诺数。

层流分离

在机翼前面部分的上下表面上,压力随着气流从驻点加速而减小。外面的层流受到粘性的牵引,加速的气流会把加速动量一层一层向下传递,因此整个边界层获得了动量,所以增加的速度有助于保持层流流动,使得机翼上即使有很大的鼓包或缺陷都可以被克服而不发生转捩。

当气流到达最小压力点时,主流速度开始减慢,牵引最外面层流的力减小。这将抑制外层边界层,使它也开始减慢。这种减慢的影响同前面提到的主流加速牵引层流动的现象一样,从边界层外向内传递。最靠近表面的层流的运动从来不会很快,它只需一个很小的减速就可以停止。因此,最低压力点后面很小的一段距离外边界层缓慢的最下部分的层流就中断了。气流在这一点是停滞的,而且阻止了上面层流气流的流入。减速持续距离越长,边界层速度减慢就越多。随着停滞阻碍范围的增加,迫使边界层其他部分一起离开机翼表面。这就是层流分离。

气泡分离

在较好的情况下,如在最小压力点后气流减速缓慢,在层流分离后面发生湍流再附着。停滞空气扰动的阻碍对边界层的阻碍就相当于机翼上的小突起或鼓包,如果在这一点雷诺数足够大,就可以使气流转捩到湍流。湍流边界层厚度的增加把气流带回到机翼表面,把停滞区(也叫分离气泡)留在下面。之后,湍流边界层继续克服压力梯度,可能达到机翼后缘而不再分离。边界层最低层空气微团因为有较大动量,可以克服企图阻止他们的压力,从而继续向后移动。

在分离气泡中有一个局部的孤立的环流流动,它是由最靠近表面的空气层前向流形成的。表现为形成了一个非常扁的涡,并沿展向扩展。在气泡之后还会有一个侧向的涡,他们或多或少的沿弦向排列。

层流分离气泡几乎总会发生在模型飞机机翼上,通常采用湍流发生器等设备来阻止其出现。大迎角下,在很多翼面上的最小压力点都会前移,分离气泡紧跟在后面,有时很短。这时在气泡后面的湍流边界层可能没有足够的能量使气流再在翼面上完全附着,并可能在到达机翼后缘之前的某点处发生分离。随着迎角继续增大,分离点几乎移到了机翼前缘,最终导致涡破裂。这就是大多数模型机翼失速的原因。

低雷诺数的直接结果就是过早失速。大型机翼在高速下,由于雷诺数高,层流流动在机翼前缘后面不会保持很远。并且表面上小缺陷会使转捩很早发生,而不会产生分离气泡。因此,全尺寸有动力飞机不存在层流分离问题。当确实发生分离的时候,通常在机翼后缘处开始。

来源:EDN 电子技术设计网站,仅作学术交流,如有侵权请联系删文