【学术前沿|刘沛清】气流绕过翼型为什么能够产生升力？
风流知音(FLOWS:Physics & beyond)【学术前沿|刘沛清】气流绕过翼型为什么能够产生升力？ CFDST (2021年12月6日)1011
气流绕过翼型为什么能够产生升力？
刘沛清
北京航空航天大学
刘沛清，人称沛公，1982年在华北水利水电大学获学士学位。1989年在河海大学获硕士学位，1995年在清华大学获博士学位。1997年至今，在北京航空航天大学流体所工作。2000年至今，任教育部流体力学重点实验室责任教授，博士生指导教师。2003年至2012年，任航空科学与工程学院副院长。现任中国空气动力学学会理事，中国力学学会流体力学专业委员会工业流体力学组组长。长期从事飞行器空气动力学实验和数值模拟等研究工作。《空气动力学》国家级精品课程负责人，国家级航空航天实验教学示范中心主任，空气动力学学报编委。现为北京航空航天大学陆士嘉实验室(航空气动声学工信部重点实验室)主任。
刘沛清教授
一、升力与压强分布关系
从翼型受力角度来看，翼型绕流的升力是作用于翼型上下翼面压强差积分在垂直于来流方向分力，这是大家共知的事实，如图1所示。
图1 不同迎角翼型绕流所受的气动力
同时风洞实验表明，气流绕过有升力的翼型，一定会出现上翼面压强小、下翼面压强大的分布，而且在附着绕流情况下，上翼面的压强小于来流大气压强，由此产生向上的吸力，这个吸力对总升力的贡献占到约70％，下翼面的压强大于来流大气压强，由此产生向上的上举力，其对总升力的贡献约30％，如图2所示。
二、为什么会出现上翼面压强小、下翼面压强大的分布？
为此，人们利用伯努利原理，从机械能守恒出发，得出压能大的动能小，压能小的动能大，也就是常说的压强与速度的关系。这样就得出上翼面速度要大于下翼面速度，且大于来流速度，这个得到风洞试验的证实（如图3所示），这里先不考虑边界层的影响。
图3 NACA2412翼型低速绕流上下翼面速度和压强分布
三、为什么会出现上翼面速度大于下翼面速度？
这是目前大家争论的问题。由此，出现了不同观点的解释。
（1）基于离散体模型的解释
牛顿对下翼面压强大于来流大气压强的解释为漂石理论，即下翼面对空气排击，使空气作用于翼面上一个向上的上举力，如同漂石排击水面一样。但无法说明上翼面吸力的作用，因此损失了大部分升力，结果与实际不符，如图4所示。
（2）基于势流理论的解释
基于理想流体势流理论的升力模型，通过比拟旋转圆柱绕流产生升力的原理，建立了库塔-茹科夫斯基的升力环量定理。问题是不旋转的翼型为什么会出现绕翼型的附着涡，为此利用理想不可压缩流体在质量力有势条件下的亥姆霍兹涡量守恒定理，提出起动涡的概念，算是自圆其说了（如图5所示）。实际上，如果考虑黏性边界层的影响，这个附着涡的强度（环量）是上下翼面近区边界层内涡量的积分，如图6所示。
图5 翼型绕流的势流模型
图6 翼型绕流翼面近区边界层内的涡量
（3）基于连续性方程的解释
当气流流过上下翼面时，由于上翼面凸起，导致上方流线间距变窄，而下方较平坦，流线间距变宽，如图7所示。根据流体的连续性方程，得出上翼面流速（流管变窄）大于下翼面流速（流管变宽），从而上翼面压强小于下翼面压强，就产生升力。流管变化原理只能在二维环境中成立，真实机翼是三维绕流，流管收缩变形不明显。
图7 翼型绕流翼面近区流管变化
（4）基于动量定理和牛顿第三定理的解释
绕过翼型的气流在前缘附近存在上偏趋势，而在后缘附近存在下偏趋势，由动量定律得到在垂直方向上存在动量差，这个动量差就是翼型对气流的向下作用力，该力的反作用力（向上）即为气流对翼型的升力，如图8所示。这是最直观的解释，但无法考虑翼面的形状对升力的影响。
图8 基于动量定理的升力模型
（5）基于伯努利原理的解释
1）长距离假设
为了说明上下翼面绕流速度的快慢，人们提出了长距离假设（等时间假设），认为气流在翼型前缘点被分为上下翼面两部分，最后同时在翼型后缘汇合。因翼型上下表面形状不对称，气流沿翼型上翼面运动的距离比下翼面的距离长，自然流速快，因此由伯努利定理得出上翼面速度快压强小，而下翼面速度小压强大，从而产生了升力。这个假设认为翼型上下表面不对称是产生升力之源。但现代飞机广泛采用的超临界翼型，出于减小激波强度目的，其下翼面的长度实际上比上表面长度还长，因此这个假设不能被认可。同时，这个假设也无法解释飞机倒飞的原因。实际上风洞试验表明，上下翼面流体质点并不是同时离开后缘，而是上翼面流体质点离开后缘比下翼面的快。
2）科恩达效应
科恩达效应表征了壁面近区的气流存在附壁效应（如图9所示），这个现象的本质是连续介质流动和离散介质运动的差别所致，在连续介质流动中，之所以出现上翼面气流附着翼面流动，是由于连续流体介质分子随机运动和相互作用的结果所致，造成上翼面气流在流动中受到壁面的抽吸作用（上翼面气流与壁面之间的空气被主流带走，出现负压致使气流吸附在壁面上），从而加速上翼面气流速度，再由伯努利定理得到上翼面压强会降低。附壁效应是壁面附近气流满足连续性条件的结果，上翼面速度增大是受壁面抽吸作用的结果。
图9 上翼面附着流动
上述从不同角度出发得到解释翼型绕流升力的观点，均存在一定道理，但那个解释最好，目前还没有定论。好在这个问题不影响应用，人们一直在追求着气动性能更好的翼型（升阻比大，高升阻比范围宽）。
至于翼型绕流边界层分离和转捩对升力和阻力的影响，属于黏性绕流问题，需要另行处理。
