刘沛清教授专栏：低速机翼绕流及其气动力

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低速机翼绕流及其气动力

北京航空航天大学刘沛清教授

飞机的主要部件是机身和机翼，飞机的机翼是产生升力的气动部件，为了获得良好气动效果，一般机翼做成三维薄形细长翘体结构，布置在机身两侧（可位于机身上面、机身下面和机身中部），机翼的外形有各种各样，设计时可根据飞行速度和飞行任务不同来优化布置和机翼外形。最早的机翼形状为平板，如中国风筝的外形（用一个毂把布张起来），平板翼的升阻比最小，一般为2到3。然后是弯板，它的升阻比可达到5，后来设计的机翼外形产生的升阻比可达到20以上，如大型客机纯机翼的升阻比可到30左右。受机翼翼梢的影响，三维机翼的升阻比要小于二维翼型的升阻比。由于机身主要产生阻力，因此加上机身等阻力部件，整架飞机的升阻比会更小。如大型客机波音747，在巡航时飞机的升阻比大约在17到18之间，相当于举起1千克的重力只需要克服55克的阻力。

机翼与剖面绕流

1918年德国科学家普朗特研究了带弯度翼型的气动问题，提出了薄翼理论。并在此基础上，提出大展弦比直机翼的升力线理论，这项工作使人们认识到对于有限翼展机翼，翼尖效应对机翼整体性能的重要性，指出翼尖涡和诱导阻力的本质关系，这个问题在很长时期内一直没有得到重视。在一大展弦比直机翼的后缘上，沿其展向均匀地贴上一排丝线，在丝线的末端系着小棉花球，然后将机翼置于低速风洞中进行吹风试验。试验结果发现：对于有限翼展机翼，由于翼尖效应，在正迎角下机翼下表面压强较高的气流将从机翼翼尖翻向上翼面，使得上翼面的流线向对称面偏斜，下翼面的流线向翼尖偏斜，而且这种偏斜从机翼的对称面到翼尖逐渐增大。当气流离开机翼后缘时，上下翼面反向的气流将使机翼后的空气受到剪切作用，而产生自由涡面。空气动力学家屈西曼（D.Küchemann，普朗特的学生）曾经说过：“涡旋是流体运动的肌腱。”这句话是流体力学中的至理名言，深刻概括了涡旋在流体运动中的作用。普朗特的另一位学生、北京航空航天大学陆士嘉教授曾更进一步地指明“流体的本质就是涡，因为流体经不住搓，一搓就搓出了涡。”这句话既道出了流体与固体的本质区别，又点明了流体运动中出现涡旋的原因。这里的“搓”，是指作用在流体上的剪切力。因此，自由涡面是由上下翼面的展向气流搓出来的。

有限翼展机翼后缘自由涡面的形成机理

由于旋涡的相互诱导作用，在离开后缘较远的地方（大约1倍展长）自由涡面将卷成两条方向相反的、从翼尖拖出的尾涡，尾涡的轴线大约和来流的方向平行。

尾涡的形成机理

普朗特升力线模型

飞机尾涡(1)（blog.sina.com.cn）

飞机尾涡(2) （blog.sina.com.cn）

数值模拟机翼绕流

蝙蝠飞行绕流（作者：王士召， lxyd.imech.ac.cn）

尾涡下洗流（tieba.baidu.com）

尾涡消散（blog.sina.com.cn）

要想使飞机升起来，在飞机重力一定的条件下，就必须使飞机的升力达到重力，又因为升力与速度的平方成正比，所以需要足够的飞行速度才能使机翼产生所需要的升力。如果速度不够，它所产生的升力就不足以克服飞机的重力，所以飞机在起飞之前，需要在跑道上滑跑一段距离，就是要使飞机加速到足够的速度，而产生足够使飞机升起的升力，这时飞行员只要把驾驶杆一拉飞机就可以飞离地面，振翅高飞。如果速度不够，即使拉杆飞机也起不来。飞机的速度在速度表盘上随时显示，达到离地速度时飞行员可拉杆起飞。

对于战术导弹和超声速歼击机，为了减小飞性的波阻，通常采用小展弦比机翼（展现比小于3），机翼通常用锐缘无弯扭对称大后掠三角薄翼。对于小展弦比大后掠三角翼绕流，在较小迎角（3～40）下，因下翼面高压气流绕过侧缘流向上表面，将会在侧缘产生分离，在上翼面形成脱体涡。这些脱体涡的出现将对上翼面产生更大的负压，从而造成更大的升力，这个升力常称为涡升力。造成小展弦比机翼的升力特性曲线为非线性的。1966年德国流体力学家波尔豪森（Polhamus，1966年）提出前缘吸力比拟法。该方法的基本思路是：将存在脱体涡的翼面总升力分解为：位流升力和涡流升力两部分之和。旋涡在翼面上产生的法向力与绕过圆前缘所产生的吸力大小相等，方向转900向上。从物理上讲，这种比拟实际上是设想当气流在前缘分离并再附于机翼上表面时，为了保持绕分离涡的流动平衡所需要的力与势流中前缘保持附体绕流所产生的吸力相等。根据前缘吸力比拟，因前缘分离涡造成的法向力增量与前缘吸力相等。而涡升力等于该法向力增量在垂直于来流方向的投影。