深入探讨下机翼的几种升力-环流升力、压缩升力和涡旋升力

CFD饭圈

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1、什么是环流升力（Circulation lift）？

- （标准翼型升力）：对于低速翼型剖面，升力是由上下游面上产生的压力差引起的。

- 产生方式：这可以通过两种方式产生，一是通过弯曲或偏斜剖面，二是通过将剖面置于流线的角度。

- 对称剖面：当对称剖面与流线对齐时，两侧都会产生低压区，但由于对称性，这些低压区是相等的，因此没有净升力。

- 压力变化：流线加速或减速的地方可以看到压力变化。流速越快，流线间距变得越窄。

2、攻角（Angle of Attack）

- 当剖面置于一定角度时，下方的流动会减慢并停止，然后会迅速绕过前缘加速到顶部。由于流动几乎是不可压缩的，这些压力场扰动会将它们的影响向上游传递，并在气流到达剖面之前就开始移动气流。

- 气流被拉起并越过剖面，然后在流过后缘时返回。由于粘性效应，尖锐的后缘附近不会加速，导致流体均匀地从这个尖锐角落分离。总体结果是翼型前部和顶部有一个非常低的压力区，而下方有一个中等高压区，导致产生升力。

- 这种效应给通过翼型的空气质量增加了旋转，因此得名“环流”升力。气流在翼型周围的路径上先上升然后下降。

3、弯曲（Camber）

- （弯曲剖面）：如果翼型是弯曲的（偏斜的），即使流线角度为零，也会由其形状产生环流效应。在这种情况下，与流线角度变化的效果不同，压力差将发生在更靠近剖面中心的位置，而不是正好在前缘附近。

- 压力中心的位置将取决于翼型的形状。将再次因迫使空气绕过弯曲表面而在上下游面上产生由压力差引起的升力。如果偏斜剖面置于迎角，则由于迎角产生的升力将加上由于偏斜产生的升力，并且会进一步增加。

4、翼型升力有限制吗？

- 升力会随着迎角的增加而增加。然而，一旦迎角过高，粘性效应就会起作用，导致气流从上表面分离而不是紧贴前缘附近的紧密曲线。然后流动就会失速。

- 失速情况下下表面压力与未失速情况相似，但上表面会恢复到分离流动区域的恒定低压。这不像附着流动产生的低压那么低，因此升力会减少20%到30%。

- 发生失速之前的点将在低迎角下产生翼型的最大升力。与失速相关联的主要问题不是升力的损失，而是由于这种新的压强平衡而发生的阻力大幅增加。

5、真实三维翼型的边缘会发生什么？

- 真实的翼型是三维的。尽管二维剖面流动在大多数翼型上占主导地位，特别是如果它是一个具有高展弦比的直翼，但翼尖效应会导致一些展向（三维）流动。

- 在翼尖附近，高压区会推动空气流向低压的上表面。这种效应与自由流流动相结合，创造了一种称为翼尖涡旋的旋转流动。涡旋以大的强度和与翼型产生的升力成正比的力量向下流动。

- 尽管涡旋是由局部翼尖效应产生的，但其下游延伸的长度对整个流动产生显著影响。涡旋旋转在尾迹中引起下洗流，这延伸回翼型。由涡旋引起的下洗流导致翼型的整体升力降低。降低的大小是翼型展弦比的函数。

- 高展弦比翼型的升力降低很小，但当展弦比降低到2以下时，涡旋位置开始移动，流动变得完全三维化，并且由涡旋主导。

6、什么是压缩升力（compression lift）？

- 当气流速度增加时，空气开始在绕过翼型时被压缩。这在流马赫数达到0.3或以上时有明显的影响。在超音速流动中，压缩性流动行为成为升力的主要影响因素。

- 在超音速流动中，没有压力扰动可以向上游传播，因此气流方向变化只能像流线遇到翼型产生的激波波那样迅速。

- 在剖面下方，激波产生压缩空气的高压区，而在顶部，膨胀产生低压区。由激波压缩和膨胀系统产生的压力差产生剖面上的升力。

- 产生压缩升力的另一种方法是使用地面效应翼型，周围有围裙，在车辆下方创建一个被困住的高压区。然而，在这种情况下，需要额外的能量源来维持车辆底部和地面之间区域的较高压力。但至少可以在没有车辆前进速度的情况下产生升力。

7、什么是涡旋升力（vortex lift）？

- 在低展弦比翼型上，特别是在三角翼型上，翼尖涡旋不是在翼尖形成，而是从前缘形成，与常规翼型不同。由于相互干扰，它们位于翼型上方而不仅仅是翼尖和下游。

- 这个涡旋对形成一个向下移动的低压流在翼型上方，并允许在比常规翼型更高的迎角下维持升力。

来源：CFD饭圈

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