空氣動(dòng)力學(xué)與飛行器設(shè)計(jì)

1、人們常問的問題：n空氣動(dòng)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(shè)計(jì)中的關(guān)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(dòng)力學(xué)的應(yīng)用范圍有哪些？n、 主 要 內(nèi) 容n前言n飛行中的力學(xué)現(xiàn)象nCFD在飛行器設(shè)計(jì)中的重要作用n空氣動(dòng)力學(xué)研究動(dòng)態(tài)前 言n現(xiàn)代飛行器的主要特點(diǎn)n現(xiàn)代飛行器設(shè)計(jì)對(duì)研究方法的要求n飛行器設(shè)計(jì)的主要研究方法回上級(jí)目錄現(xiàn)代飛行器的主要特點(diǎn)n民用飛行器 (貨運(yùn)飛機(jī)、客運(yùn)飛機(jī)等)航程/航時(shí)長 有效載重大運(yùn)行成本低 安全性高n軍用飛行器 (運(yùn)輸機(jī)、轟炸機(jī)、戰(zhàn)斗機(jī)等) 機(jī)動(dòng)性 隱身性 載彈量 抗打擊能力 進(jìn)攻/防衛(wèi)能力 現(xiàn)代飛行器的主要特點(diǎn)(續(xù))n先進(jìn)飛行器(戰(zhàn)

2、斗機(jī))設(shè)計(jì)特點(diǎn)n翼身融合設(shè)計(jì)n鴨式布局(跨、超聲速飛行器)n乘波外形設(shè)計(jì)(高超聲速飛行器)n機(jī)體/進(jìn)排氣一體化設(shè)計(jì)n氣動(dòng)/隱身一體化設(shè)計(jì)n綜合性能優(yōu)化設(shè)計(jì)n典型飛行器演示圖片X32X32X35B2法國Rafale戰(zhàn)機(jī)回上級(jí)目錄現(xiàn)代飛行器設(shè)計(jì)方法的要求n周期短n成本低n可重復(fù)實(shí)驗(yàn)n結(jié)果可靠n可提供飛行器設(shè)計(jì)所需的參數(shù)回上級(jí)目錄飛行器設(shè)計(jì)的主要研究方法n風(fēng)洞試驗(yàn)：Wind-tunnel Experimentn數(shù)值試驗(yàn)/模擬 : Numerical Simulationn飛行試驗(yàn)：Flying Testn理論分析: Theoretical Analysis 回上級(jí)目錄風(fēng)洞試驗(yàn)n風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)是實(shí)驗(yàn)空氣動(dòng)力

3、學(xué)中的一個(gè)重要的研究方法。n風(fēng)洞：是一種設(shè)備，利用相似準(zhǔn)則，能夠在地面模擬飛行器在大氣中的飛行，并進(jìn)行數(shù)據(jù)采集及處理。n世界上第一座風(fēng)洞：1891，韋納姆n為飛行器設(shè)計(jì)及飛行試驗(yàn)提供技術(shù)參數(shù)。n優(yōu)點(diǎn)：能模擬飛行環(huán)境。n缺點(diǎn)：成本高、周期長、技術(shù)難度大。風(fēng)洞試驗(yàn)(續(xù))n隨著電子、激光、熱線、液晶、光導(dǎo)、微型傳感器等技術(shù)的發(fā)展，目前風(fēng)洞試驗(yàn)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(fēng)、大雨、結(jié)冰等n音爆、噪聲等n氣動(dòng)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(fēng)洞循 環(huán) 水池空壓機(jī)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(fēng)洞實(shí) 驗(yàn)大廳數(shù)值試驗(yàn)/模擬 n數(shù)值模擬是計(jì)算流體力學(xué)中的核心。n數(shù)值模擬：利用高性能計(jì)算機(jī)，通過數(shù)值求解流動(dòng)模型的控制方程，得到全流場離散點(diǎn)上的流動(dòng)參數(shù)，進(jìn)而達(dá)到模擬流動(dòng)狀態(tài)及過程的目的。n作用：n揭示流動(dòng)機(jī)理n解釋流動(dòng)現(xiàn)象n數(shù)值仿真飛行試驗(yàn)n根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果，制造原形樣機(jī)，進(jìn)行實(shí)際飛行，以測試飛行器的設(shè)計(jì)指標(biāo)。n一般需要35架原型機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)?；厣霞?jí)目錄飛行中的力學(xué)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(dòng)現(xiàn)象n超機(jī)動(dòng)飛行飛行中的力學(xué)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(jìn)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(guān)系：伯努利公式 此式表明：當(dāng)密度為定值時(shí)(不可壓流)，流速越 大的地方，壓力越小。飛行中的力學(xué)現(xiàn)象升力的產(chǎn)生(1)常數(shù)22UP飛行中的力學(xué)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(shí)，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(shí)，前后翼面的壓力差會(huì)產(chǎn)生阻力。n摩擦阻力：由于氣流具有粘性，在物面上會(huì)出 現(xiàn)剪切應(yīng)力，切向應(yīng)力形成摩擦力。 理想流體：無粘、不可壓流體 實(shí)際流體：有粘、可壓流體飛行中的力學(xué)現(xiàn)象阻力的產(chǎn)生飛行中的力學(xué)現(xiàn)象空氣的粘性n實(shí)際上，空氣是有粘性的。在研究流

6、體流動(dòng)機(jī)理方面，這些粘性效應(yīng)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(shí)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(yīng)該具有與當(dāng)?shù)匚锩嫦嗤乃俣取?在相對(duì)坐標(biāo)系下，物體不動(dòng)，氣流以一定的速度流過物體，此時(shí)，物面空氣質(zhì)點(diǎn)的速度應(yīng)該為零)飛行中的力學(xué)現(xiàn)象粘性效應(yīng)速度的分層，粘性流動(dòng)的速度型飛行中的力學(xué)現(xiàn)象粘性效應(yīng)(續(xù))流體微團(tuán)的變形，切應(yīng)力的產(chǎn)生飛行中的力學(xué)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(zhuǎn)力矩：使飛行器繞機(jī)體軸滾轉(zhuǎn)飛行中的力學(xué)現(xiàn)象典型流動(dòng)現(xiàn)象(I)擾動(dòng)傳播的四種情況： n 假設(shè)：擾動(dòng)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(xué)現(xiàn)象典型流動(dòng)現(xiàn)象(I)激波隨物體形狀的變化 飛機(jī)周圍的激波 飛行中的力學(xué)現(xiàn)象典型流動(dòng)現(xiàn)象(II)n機(jī)翼翼梢脫出的渦索飛行中的力學(xué)現(xiàn)象典型流動(dòng)現(xiàn)象(III)n物體后方的渦系結(jié)構(gòu)，渦的產(chǎn)生、破碎飛行中的力學(xué)現(xiàn)象典型流動(dòng)現(xiàn)象(III)n物體后方的渦系結(jié)構(gòu)，渦干擾飛行中的力學(xué)現(xiàn)象典型流動(dòng)現(xiàn)象(IV)n紊流流動(dòng)飛行中的力學(xué)現(xiàn)象典型流動(dòng)現(xiàn)象(IV)n無粘流與粘性流動(dòng)的比較飛行中的力學(xué)現(xiàn)象典型流動(dòng)現(xiàn)象(V)流動(dòng)隨迎角的變化飛行中的力學(xué)現(xiàn)象超機(jī)動(dòng)飛行“眼鏡蛇”機(jī)動(dòng)眼鏡蛇機(jī)動(dòng)眼鏡蛇機(jī)動(dòng)眼鏡蛇機(jī)動(dòng)眼鏡蛇機(jī)動(dòng)SU-37超機(jī)動(dòng)表演飛行中的力學(xué)現(xiàn)象超機(jī)動(dòng)飛行回上級(jí)目錄CFD在飛行器設(shè)計(jì)中的作用n正問題：給定飛行器外形，計(jì)算氣動(dòng)載荷、氣動(dòng)力及飛行器氣動(dòng)性能n反問題：給定氣動(dòng)性能要求，尋求符合要求的飛行器氣動(dòng)外形n綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)過程CFD在飛行器設(shè)計(jì)中的作用(續(xù))nCFD的重要作用n以較小的花費(fèi)獲取較全面的信息。如：n數(shù)值模擬周期短 采用CFD技術(shù)，波音747飛機(jī)的風(fēng)洞試驗(yàn)次數(shù)減少了70%，研制周期比預(yù)定縮短了2年。n模擬軟件的功能可不斷更新、擴(kuò)充CFD在飛行器設(shè)計(jì)中的作用(續(xù))n世界各國的航空航天界對(duì)CFD都非常重視n科研單位n大學(xué)n型號(hào)單位等n數(shù)值風(fēng)洞代替大量實(shí)際風(fēng)洞試驗(yàn)CF