飞行动力学空气动力学.ppt

2012，2 第一章 飞行动力学空气动力学与飞行力学 北京航空航天大学自动化学院 张平 飞行控制系统 飞行器+控制系统 ? 闭合回路 飞行器 空气中的运动体，一个复杂的被控对象，要想控制它，需要了解气流特性与飞行器在气流中飞行时的特性 空气动力学 研究空气的流体特性 飞行力学： 研究飞行器在大气中飞行时的受力与运动规律，建立飞行器动力学方程 引言 第一节 空气动力学的基本知识 第二节 飞行器运动参数与操纵机构 第三节 空气动力与气动系数 参考文献：飞行控制系统，张明廉著（电子扫描版） 本节课内容 第一节 空气动力学的基本知识 一、流场 定义 可流动的介质（水，油，气等）称为流体，流体所占据的 空间称为流场。 流场的描述 流体流动的速度、加速度以及密度p、压强p、温度T（流体 的状态参数）等 — 几何位置与时间的函数 （1）流体微团： 空气的小分子群，空气分子间的自由行程与飞行器相比较 太小，可忽略分子的运动 （2）流线： 流体微团流动形成的轨线 特性：流线不相交、流体微团不穿越流线（分子的排斥性） 一、流场（续） （3）流管： 多个流线形成流管 管内气体不会流出 管外气体也不会流入，不同的截面上，流量相同 （4）定常流： 流场中各点的速度、加速度以及状态参数等只是几何位置的函数，与时间无关 空气动力学中的大部分问题是定常流问题（简化） （5）流动的相对性 物体静止，空气流动 物体运动，空气静止 相对速度相同时，流场中空气动力相同 二、连续方程 在流管上取垂直于流管中心线上流速方向的两个截面， 截面I： 截面Ⅱ： 空气流动是连续的，处处没有空隙 ， 定常流—流场中各点均无随时间分子堆积，因而单位时间内，流入截面Ⅰ的空气质量必等于流出截面Ⅱ的空气质量 质量守恒原理在流体力学中的应用 或写成： 微分形式： 一般在V小、小范围内： 连续方程： A大，V小 A小，V大 三、伯努里方程（能量守恒定律） 在空气低速不可压缩的假设下，密度为常数， 伯努里方程： 其中：p-静压， 1/2?V2 — 动压，单位体积的动能，与高 度、速度有关 表明静压与动压之和沿流管不变 当V=0，p=p0，—最大静压,总压 ? V大，p小；V小，p大 后面的一些结论来自于伯努里方程 四、马赫数M 马赫数 定义为气流速度(V)和当地音速(a)之比: 音速： T:空气的绝对温度，随高度h变化 空气中的音速—声波的传播速度，空气受扰时的传播速度 M数：表示空气受压缩的程度 五、弱扰动的传播 飞机在大气中飞行 — 扰动源 扰动源以速度V在静止空气中运动，相当于扰动源静止而空气以速度V流动 1）扰动源V=0，扰动以音速传播（图a） 2）Va,M1,前方空气受扰，?变化不大（图b） 3）V=a，M=1,扰动源与扰动波同时到达，前方空气??（图c） 扰动只影响下游 4）Va,M1, （图d） 前方空气未受扰 飞机前端临近空气? 突然?，形成激波 受扰区限于扰动源 下游的马赫锥内 临界马赫数M 临界马赫数Mcr 翼面上最大速度处的流速=当地音速a时，远前方的迎面气流速度V?与远前方空气的音速a?之比 迎面气流的M数超过Mcr时，翼面上出现局部的超音速区， 将产生局部激波 ，Mcr-每种机翼的特征参数 飞行速度定义 M0.5时为低速飞行； 0.5MMcr为亚音速飞行; McrM1.5为跨音速飞行; 1.5M5，为超音速飞行， M5为高超音速飞行 六、激波 气流以超音速流经物体时，流场中的受扰区情况与物体的形状有关，超音速—强扰动，产生激波 激波实际上就是气流各参数的不连续分界面 在激波之前，气流不受扰动，气流速度的大小和方向不变，各状态参数也是常数； 气流通过激波，其流速突然变小，温度、压强、密度等也突然升高 钝头物体的激波是脱体波（正激波），产生大波阻 楔形物体的激波是倾斜的（附体波 ），波阻较小，用于超音速飞机的机头 七 膨胀波 伯努利静态公式 不适用于高速流动情况 ，由于空气高速流动时密度?不是常数 由推导伯努利方程动态过程，得出考虑到空气的可压缩性的能量守恒方程： 流管截面积增大(dA为正)的情况下， 流速变小或增大,与M数有关 亚音速时M1， ( M2-1)为负值， 截面积增大