刘沛清教授专栏：翼型升力是如何产生的？

北京航空航天大学空气动力学全国精品课程负责人--刘沛清

  最早的机翼是模仿风筝的，在骨架上张蒙布，基本上是平板。在实践中发现弯板比平板好，能获的较大的升力和适当提高迎角范围。1903年美国发明家莱特兄弟研制出薄而带正弯度的翼型。1909年儒可夫斯基的机翼理论出来之后，明确低速翼型应是圆头尖尾型，上下翼面弯曲。圆头能适应于更大的迎角范围，弯曲的翼面可避免绕翼面气流分离。从平板到翼型的绕流升阻比明显不同。

 翼型压力分布及其对升力的贡献

 儒可夫斯基

平板与翼型的升阻比

后来儒可夫斯基利用复变函数的保角变换法研究了理想流体翼型定常绕流，提出著名的儒可夫斯基翼型理论。二十世纪20年代，人们利用速度势函数的奇点叠加原理和小扰动假设，提出薄翼型理论。分析得出：在小迎角下，对于薄翼型理想不可压缩流体绕流，扰动速度势、物面边界条件、压强系数均可进行线性叠加，作用在薄翼型上的升力、力矩可以视为弯度、厚度、迎角作用之和，因此绕薄翼型的流动可用三个简单流动叠加。

那么在翼型绕流时，对于同样的来流，为什么下翼面的压力大于上翼面压力？这是人们认识飞行原理长期纠结地方，也是空气动力学的经典问题。

其实细究起来，关于翼型的升力是如何产生的，至今说法不一，而且有些存在明显错误。

（1）“长距理论(LongerPath)”或“等时理论(EqualTransit Time)”最为广泛（伯努利观点）。这一理论认为：气流在翼型前缘点被分为上下两部分，最后在翼型后缘汇合。但因翼型上下表面形状不对称，气流沿翼型上表面运动的距离长，自然流速快，根据伯努利定理，速度快的气压小，这样就形成下翼面压强大于上翼面压强，从而产生升力。由于这个理论主要依赖于“伯努利定律”，也称为伯努利派。这个理论错误在于，认为“机翼上下表面不对称”是升力之源。此外，现代飞机广泛采用的超临界翼型，出于减阻目的，其下表面的长度实际上是比上表面长度还长。同时，这个理论也无法解释飞机倒飞的原因。

（2）“漂石理论(SkippingStone)”(牛顿观点)，这种理论认为：升力来源于空气对翼型下翼面的反作用力，就像打水漂一样，石子在快速滑过水面时，会排开水体从而获得反向的作用力重新离开水体，飞机在飞行时不断向下推开空气，从而依靠反作用力获取升力。这个理论的错误地认为：产生升力的主要是翼型下表面，翼型上表面的贡献可以忽略。从而引申出：翼型下表面不变，则上表面的形状改变不会导致升力改变——这显然是不对的。一个典型的例子是扰流板，当机翼上表面的扰流板打开时，下表面不变，上表面可以说形状改变不大，但对气动力的影响很大。

　　对于真实世界，当空气流过一个物体，或者说物体穿过空气时，由于空气分子不像固体分子那样紧密相连，他们的运动并不完全与物体本身有关，这也导致物体周围的气流，在不同的区域有着不同的方向和大小，离物体越近，差异越大。

（3）流管理论：当气流流过上下表面时，由于上表面凸起，导致上方流线间距变窄，而下方较平坦，流线间距变宽，根据流体的连续性定理：当流体连续不断地流过一个粗细不等的管道时，由于管道中任一部分的流体都不能中断或堆积起来，因此在同一时间内，流进任一截面的流体质量和从另一截面流出的流体质量是相等的，导致上表面流速大于下表面流速，再根据伯努利定理产生升力。错误在于：此理论只能在二维环境中成立，真实的机翼周围有大量气流被影响，流管不会被压缩。

（4）下洗气流理论：绕过翼型的气流流向存在向下偏的趋势，同时产生反作用力来提供升力。这一部分升力确实存在，称为“撞击升力”，但在整个翼型升力中所占比重相对较小。对于大型客机采用的“超临界翼型”，其后加载效应是靠机翼后缘向下弯曲产生下洗流来提供升力。

大量风洞试验发现，在来流一定时，作用于翼型上的气动力大小与翼型的形状、尺寸、姿态等有关。特别是，翼型的外形对升力与阻力的比值有关。良好翼型外形，产生的升力大、阻力小，升力与阻力的比值（升阻比）较大，气动效率高。即，举起一牛顿重力所需付出的阻力代价越小越好。在空气动力学里专门讨论翼型的优化，原理上就是寻求使升力和阻力比值最大的外形。在当今飞机机翼设计中寻求升阻比较大的外形是永恒的机翼气动优化设计问题。对大型民用飞机机翼用的翼型，设计好的升阻比可达到80到120之间。

致谢：

          感谢北京航空航天大学刘沛清教授提供宝贵资料。