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

1月前浏览700

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

什么是CFD以及为什么你需要它

1、计算流体动力学（CFD） CFD是流体力学的一个分支，它利用计算机模拟液体、气体和等离子体等流体的流动。CFD使工程师能够模拟和分析与流体相关的各种问题，如飞机在超音速飞行时的空气流动，如何构建最高效的燃气轮机，以及如何通过改善空气动力学来减少F1赛车的燃油消耗。CFD计算的快速和相对低成本的结果，帮助了从环境工程到航空航天等不同领域的工程师更快地设计出更好的产品。通过在计算机模拟而非物理原型上工作，工程师可以降低成本并尽早进行设计改进。 2、CFD的基本原理和应用 CFD使用先进的算法和计算机来模拟流体和热传递的流动模式。传统的产品设计需要进行物理测试，而CFD通过预测真实世界的物理现象，使得许多测试可以在虚拟环境中进行，从而更快地找到最优设计。CFD建模工具采用数学模型和数值分析方法预测流体运动，其中最常见的解决方案基于纳维-斯托克斯方程，该方程考虑了流动速度、压力和粘度等因素，以提供在特定边界条件下流体如何移动和与周围环境相互作用的详细图景。 3、关键概念：网格划分与收敛网格划分：在CFD中，将研究区域划分为更小的单元，创建网格，以简化流体流动分析。这使得工程师可以专注于解决单个单元的流体流动方程，而不是整个物体，从而使模拟对计算机更易管理。网格的质量和分辨率会影响模拟的准确性，更细的网格可以提供更详细的结果，但需要更多的计算资源。收敛：在CFD中，收敛是使用迭代计算找到流体流动问题稳定且准确解决方案的过程。它类似于解决拼图或雕刻，通过不断调整直到所有部分完美契合。收敛是计算机的计算停止变化的点，此时我们可以确信找到了一个可靠的解决方案。 4、CFD的历史和发展计算流体动力学（CFD）的基础起源于纳维-斯托克斯方程，该方程在1882年到1850年之间发展。随着20世纪60年代更强大的计算机和像Hess和Smith这样的科学家的进步，进展加速，导致3D模拟和CFD在工业中的广泛使用。 5、CFD的实际应用案例 CFD是一个庞大且不断增长的领域，它在多个行业中有广泛的应用。它现在是设计各种机械、工具和组件的重要步骤。CFD在多个行业中发挥着重要作用，包括：l 燃气轮机设计：CFD用于提高燃气轮机效率，将燃油消耗降低高达15%，并在必要时遵守环境法规。 l 超音速速度模拟：当飞机以超过马赫1的速度飞行时，流体开始流动并表现出奇怪的行为。CFD可以捕捉发生的复杂和不可预测的现象。 l 潜艇建模：CFD可以预测潜艇船体、帆或推进装置的变化将如何影响机动性和速度-功率性能。 l 暖通空调机械工程：CFD可以最大化住宅和商业建筑中空调系统、风扇和鼓风机的热舒适度。 l 电动汽车电池模拟：CFD分析电池模块的空气流动可以优化电池组的包装，以提高电动汽车的续航里程。 l 石油和天然气行业：CFD可以模拟石油和天然气管道中的流体流动，并确定固体颗粒如何引起侵蚀。 l 环境工程：CFD可以预测水流和空气污染扩散，帮助最小化石油泄漏和其他灾难的后果。 l 湍流建模：CFD可以模拟湍流，以提高直升机飞行的稳定性。 6、CFD的优势 l 加速决策制定：CFD使工程师能够更快、更好地做出决策，提高其设计的质量和耐用性、安全性和性能。这种速度导致生产力的提高和工程资源的更有效利用。 l 减少开发时间：通过使用CFD软件，工程师可以显著减少开发时间，最小化耗时的物理测试和试错方法的需求。l 成本和劳动力的减少：CFD通过自动化工作流程、最小化对物理原型和方法的需求，并释放工程资源，有助于降低成本和劳动力。l 测试复杂场景：CFD允许工程师测试在现实世界中无法重现的复杂场景，确保精密产品的最高精度水平。l 可持续测试和满足法规：CFD模拟提供了一种更可持续的测试方法，使工程师能够快速评估权衡，并在不产生废物和排放的情况下满足严格的环境法规。l 加速上市时间：通过更快的洞察和决策，CFD帮助工程师加快产品上市时间，为他们提供竞争优势。l 增强创新和设计灵活性：CFD模拟使工程师能够探索广泛的设计可能性，促进创新和创造力。l 改进协作和知识共享：CFD模拟可以轻松共享和可视化，增强团队成员之间的协作，并促进复杂工程概念的更好沟通。这导致更好的决策和更团结的团队。l 可扩展性和适应性：CFD工具是可扩展和适应的，适用于广泛的行业和应用，使它们成为工程挑战的多功能解决方案。这种适应性允许组织在多个项目、问题和规模上利用CFD，最大化其利益和总体投资回报。 7、CFD的挑战和局限性尽管CFD具有明显的优势（它在所有行业中无处不在，这是有充分理由的！），但在实施过程中可能会遇到挑战，尤其是在流体力学、数值模拟方法和计算机科学方面的专业知识要求较高。与专业的CFD服务提供商合作，可以帮助企业优化和加速CFD的实施。 8、结论 CFD是一种数字技术，允许工程师模拟流体流动问题并优化设计。它在包括航空航天、汽车、石油和天然气以及环境工程在内的各个行业中被广泛采用，帮助工程师更快、更经济地设计更好的产品，使制造商更加敏捷、有竞争力和盈利。来源：CFD饭圈