空氣動力學與飛行器設計

1、人們常問的問題：n空氣動力是什么，是怎樣產(chǎn)生的？n重于空氣的飛行器怎么能飛？n飛行器設計中的關鍵問題是什么？n現(xiàn)代及未來飛行器是什么樣的？n空氣動力學的應用范圍有哪些？n、 主 要 內(nèi) 容n前言n飛行中的力學現(xiàn)象nCFD在飛行器設計中的重要作用n空氣動力學研究動態(tài)前 言n現(xiàn)代飛行器的主要特點n現(xiàn)代飛行器設計對研究方法的要求n飛行器設計的主要研究方法回上級目錄現(xiàn)代飛行器的主要特點n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n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 現(xiàn)代飛行器的主要特點(續(xù))n先進飛行器(戰(zhàn)

2、斗機)設計特點n翼身融合設計n鴨式布局(跨、超聲速飛行器)n乘波外形設計(高超聲速飛行器)n機體/進排氣一體化設計n氣動/隱身一體化設計n綜合性能優(yōu)化設計n典型飛行器演示圖片X32X32X35B2法國Rafale戰(zhàn)機回上級目錄現(xiàn)代飛行器設計方法的要求n周期短n成本低n可重復實驗n結果可靠n可提供飛行器設計所需的參數(shù)回上級目錄飛行器設計的主要研究方法n風洞試驗：Wind-tunnel Experimentn數(shù)值試驗/模擬 : Numerical Simulationn飛行試驗：Flying Testn理論分析: Theoretical Analysis 回上級目錄風洞試驗n風洞實驗是實驗空氣動力

3、學中的一個重要的研究方法。n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(shù)據(jù)采集及處理。n世界上第一座風洞：1891，韋納姆n為飛行器設計及飛行試驗提供技術參數(shù)。n優(yōu)點：能模擬飛行環(huán)境。n缺點：成本高、周期長、技術難度大。風洞試驗(續(xù))n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(shù)及模態(tài)。如：n大氣湍流、突風、大雨、結冰等n音爆、噪聲等n氣動熱：高超聲速n垂直起落、俯仰(偏航)震蕩、搖滾、尾旋等南航NH-1風洞循 環(huán) 水池空壓機房去圬 池真 空球罐消音 池真 空泵房數(shù) 采間衛(wèi)生間控 制間閥門 間鉗 工間

4、NH-1風洞實 驗大廳數(shù)值試驗/模擬 n數(shù)值模擬是計算流體力學中的核心。n數(shù)值模擬：利用高性能計算機，通過數(shù)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(shù)，進而達到模擬流動狀態(tài)及過程的目的。n作用：n揭示流動機理n解釋流動現(xiàn)象n數(shù)值仿真飛行試驗n根據(jù)數(shù)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。n一般需要35架原型機進行實驗。回上級目錄飛行中的力學現(xiàn)象n飛行器所受的力n飛行器所受的力矩n典型的流動現(xiàn)象n超機動飛行飛行中的力學現(xiàn)象飛行器所受的力n升力：又稱舉力，克服重力，抬起飛行器n阻力：含摩擦阻力、壓差阻力等n推力：推進系統(tǒng)提供n重力：飛行器自身重量問

5、題：升力/阻力是怎樣產(chǎn)生的？n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(xiàn)象升力的產(chǎn)生(1)常數(shù)22UP飛行中的力學現(xiàn)象升力的產(chǎn)生(2)簡單地說：上下翼面的壓力差產(chǎn)生了升力迎角的定義 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？n壓差阻力：由上下翼面的壓力差產(chǎn)生了升力， 同時，前后翼面的壓力差會產(chǎn)生阻力。n摩擦阻力：由于氣流具有粘性，在物面上會出 現(xiàn)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(xiàn)象阻力的產(chǎn)生飛行中的力學現(xiàn)象空氣的粘性n實際上，空氣是有粘性的。在研究流

6、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。n現(xiàn)實例子：河中間的河水流速比岸邊快n粘性影響下，飛行器表面的氣流應該具有與當?shù)匚锩嫦嗤乃俣取?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)飛行中的力學現(xiàn)象粘性效應速度的分層，粘性流動的速度型飛行中的力學現(xiàn)象粘性效應(續(xù))流體微團的變形，切應力的產(chǎn)生飛行中的力學現(xiàn)象飛行器所受的力矩n俯仰力矩：使飛行器抬頭或低頭n偏航力矩：使飛行器航向發(fā)生改變n滾轉力矩：使飛行器繞機體軸滾轉飛行中的力學現(xiàn)象典型流動現(xiàn)象(I)擾動傳播的四種情況： n 假設：擾動以聲速傳播。n定義：馬赫

7、數(shù)(M)=飛行速度/聲速I. M=0 II. M1 激波 激波前后流場 物理量的變化飛行中的力學現(xiàn)象典型流動現(xiàn)象(I)激波隨物體形狀的變化 飛機周圍的激波 飛行中的力學現(xiàn)象典型流動現(xiàn)象(II)n機翼翼梢脫出的渦索飛行中的力學現(xiàn)象典型流動現(xiàn)象(III)n物體后方的渦系結構，渦的產(chǎn)生、破碎飛行中的力學現(xiàn)象典型流動現(xiàn)象(III)n物體后方的渦系結構，渦干擾飛行中的力學現(xiàn)象典型流動現(xiàn)象(IV)n紊流流動飛行中的力學現(xiàn)象典型流動現(xiàn)象(IV)n無粘流與粘性流動的比較飛行中的力學現(xiàn)象典型流動現(xiàn)象(V)流動隨迎角的變化飛行中的力學現(xiàn)象超機動飛行“眼鏡蛇”機動眼鏡蛇機動眼鏡蛇機動眼鏡蛇機動眼鏡蛇機動SU-37超機動表演飛行中的力學現(xiàn)象超機動飛行回上級目錄CFD在飛行器設計中的作用n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n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n綜合優(yōu)化設計過程CFD在飛行器設計中的作用(續(xù))nCFD的重要作用n以較小的花費獲取較全面的信息。如：n數(shù)值模擬周期短 采用CFD技術，波音747飛機的風洞試驗次數(shù)減少了70%，研制周期比預定縮短了2年。n模擬軟件的功能可不斷更新、擴充CFD在飛行器設計中的作用(續(xù))n世界各國的航空航天界對CFD都非常重視n科研單位n大學n型號單位等n數(shù)值風洞代替大量實際風洞試驗CF