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我所理解的流体力学

作者:admin发布时间:2020-11-16分类:最新焦点浏览:14评论:0


导读:原标题:我所理解的流体力学|闲话翼尖涡这是《我所理解的流体力学》第2版封面上的图,显示的是飞机的翼尖涡产生的效果。...
原标题:我所理解的流体力学 | 闲话翼尖涡

我所理解的流体力学

这是《我所理解的流体力学》第2版封面上的图,显示的是飞机的翼尖涡产生的效果。

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导读

本文主要讨论一下飞机的翼尖涡相关的流动现象。该篇流体力学科普文章,虽然是科普,但也涉及较为深入的流体力学知识,很多现象我也没有理解透彻,把这些粗浅的理解公布出来,希望起到抛砖引玉的效果。

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什么是翼尖涡

飞机在飞行过程中,会从两侧的翼尖产生出两道旋涡,旋涡的强度取决于机翼的升力。大型飞机的重量大,翼尖涡很强,可延伸在飞机后方几公里远的地方。涡的中心压力低,当空气的湿度大时,水蒸气在这里凝结,就形成可以看见的翼尖涡。在远后方,发动机排出的水蒸气凝结后也被卷入到翼尖涡中,形成了长长的航迹云。

翼尖涡存在于所有具有升力并且在空气中前进的物体边缘,只不过是飞机的飞行高度上气温低,并且飞机的速度快,所以水汽更容易凝结,我们才经常能看到飞机的翼尖涡,而鸟类的翼尖或者赛车的翼尖上产生的翼尖涡我们则很少能看到。

我所理解的流体力学

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翼尖涡是如何产生的

关于翼尖涡的形成,最好理解的是用空气的压力差来解释。机翼的下表面气流压力高于大气压,上表面气流压力低于大气压,在翼尖处,下表面的气流会绕过翼尖流向上表面。这个流动趋势和来流叠加,就形成了螺旋的流动,这就是翼尖涡。

另外,还可以用旋涡理论来解释翼尖涡。流体力学的旋涡理论中有一条结论,就是旋涡不能有自由端,应该或者终止于壁面,或者形成一个封闭的环。而机翼之所以产生升力,就是因为机翼上有一个附着的涡,这个涡在翼尖处向后延伸,和机翼的启动涡形成一个封闭的涡环。

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翼尖涡会减小机翼的升力

翼尖涡会改变机翼表面的压力分布,使升力减小,阻力增加。从机翼表面压力分布的角度解释,在翼尖处,没有了机翼的阻隔,上下表面的压力应该是相等的,效果是翼尖处的升力为零。也可以理解为空气从下表面跑到上表面,对下表面的高压具有泄压的作用,而对上表面的低压具有增压的作用,从而减小了整个机翼的升力。从动量定理的角度看,升力的大小取决于机翼向下“排出”气流的质量和速度,而翼尖涡可以看作是机翼下表面的气流向上表面的泄漏产生的,也就是说有一部分空气没有被排向下方,而是跑到上边来了,因此升力减小了。

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翼尖涡会增大机翼的阻力

一般把翼尖涡产生的阻力称为诱导阻力,这是狭义的定义。广义的诱导阻力定义是随升力一起产生的阻力,在没有翼尖涡的情况下也有随升力产生的阻力,不过比较小,所以一般说的都是狭义的诱导阻力。一般对诱导阻力的解释是翼尖涡使气流产生下洗效果,从而使机翼上的压差力向后偏斜,增加了向后的分量,这个向后的分量就是阻力。这个解释当然是对的,不过读者可能还有两个疑问,一个是:翼尖涡是如何造成气流下洗的?另一个是:如何从机翼表面压力分布来解释诱导阻力?

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翼尖涡的消弱与利用

细长的机翼可以减少受翼尖涡影响区域的比例,所以追求低阻力的飞机都是大展弦比的,但是展弦比大有机动性不好和强度差等缺点。

通过减小翼尖处的升力来减小诱导阻力也是一种方法,比如把机翼做成椭圆形或梯形的,经典的例子是英国的喷火式战斗机和美国的P-51野马式战斗机。还可以让机翼扭转,减小翼尖处的迎角来减小翼尖处的升力。减小翼尖处的升力还有一个实际的原因是这样对机翼的强度有好处。

现代客机翼尖处的“小翼”其实也是变相地加长机翼和减小翼尖处的弦长。把小翼展平也一样可以减小阻力,不过机翼太长不利于停放和进出机库等。

翼尖涡的内侧产生的是下洗气流,外侧产生的则是上升气流,长途迁徙的鸟类早就已经学会了利用这种上升气流,排成人字形或斜的一字型飞行,后面的鸟就可以节省体力了。

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我所理解的流体力学

《我所理解的流体力学》第2版的封面是我根据这张照片画的。因为之前在上课的时候有的学生把云中的涡对儿看成了心形,我就索性进行了艺术加工,把中间的下部加了尖,真正像一个心形了。

标签:流体力学机翼升力表面阻力气流产生的飞机的旋涡闲话翼尖涡翼尖处翼尖


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