空氣動力學(xué)與飛行器設(shè)計(jì)

空氣動力學(xué)與飛行器設(shè)計(jì)2021/6/271人們常問的問題：空氣動力是什么，是怎樣產(chǎn)生的？重于空氣的飛行器怎么能飛？飛行器設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵問題是什么？現(xiàn)代及未來飛行器是什么樣的？空氣動力學(xué)的應(yīng)用范圍有哪些？、、、2021/6/272

主要內(nèi)容前言飛行中的力學(xué)現(xiàn)象CFD在飛行器設(shè)計(jì)中的重要作用空氣動力學(xué)研究動態(tài)2021/6/273前言現(xiàn)代飛行器的主要特點(diǎn)現(xiàn)代飛行器設(shè)計(jì)對研究方法的要求飛行器設(shè)計(jì)的主要研究方法回上級目錄2021/6/274現(xiàn)代飛行器的主要特點(diǎn)民用飛行器(貨運(yùn)飛機(jī)、客運(yùn)飛機(jī)等)航程/航時(shí)長有效載重大運(yùn)行成本低安全性高軍用飛行器(運(yùn)輸機(jī)、轟炸機(jī)、戰(zhàn)斗機(jī)等)

機(jī)動性隱身性載彈量抗打擊能力進(jìn)攻/防衛(wèi)能力2021/6/275現(xiàn)代飛行器的主要特點(diǎn)(續(xù))先進(jìn)飛行器(戰(zhàn)斗機(jī))設(shè)計(jì)特點(diǎn)翼身融合設(shè)計(jì)鴨式布局(跨、超聲速飛行器)乘波外形設(shè)計(jì)(高超聲速飛行器)機(jī)體/進(jìn)排氣一體化設(shè)計(jì)氣動/隱身一體化設(shè)計(jì)綜合性能優(yōu)化設(shè)計(jì)典型飛行器演示圖片2021/6/276X322021/6/277X322021/6/278X352021/6/279B22021/6/27102021/6/27112021/6/2712法國Rafale戰(zhàn)機(jī)回上級目錄2021/6/2713現(xiàn)代飛行器設(shè)計(jì)方法的要求周期短成本低可重復(fù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可靠可提供飛行器設(shè)計(jì)所需的參數(shù)回上級目錄2021/6/2714飛行器設(shè)計(jì)的主要研究方法風(fēng)洞試驗(yàn)：Wind-tunnelExperiment數(shù)值試驗(yàn)/模擬:NumericalSimulation飛行試驗(yàn)：FlyingTest理論分析:TheoreticalAnalysis回上級目錄2021/6/2715風(fēng)洞試驗(yàn)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)是實(shí)驗(yàn)空氣動力學(xué)中的一個(gè)重要的研究方法。風(fēng)洞：是一種設(shè)備，利用相似準(zhǔn)則，能夠在地面模擬飛行器在大氣中的飛行，并進(jìn)行數(shù)據(jù)采集及處理。世界上第一座風(fēng)洞：1891，韋納姆為飛行器設(shè)計(jì)及飛行試驗(yàn)提供技術(shù)參數(shù)。優(yōu)點(diǎn)：能模擬飛行環(huán)境。缺點(diǎn)：成本高、周期長、技術(shù)難度大。2021/6/2716風(fēng)洞試驗(yàn)(續(xù))隨著電子、激光、熱線、液晶、光導(dǎo)、微型傳感器等技術(shù)的發(fā)展，目前風(fēng)洞試驗(yàn)可以模擬飛行器的大部分飛行環(huán)境、參數(shù)及模態(tài)。如：大氣湍流、突風(fēng)、大雨、結(jié)冰等音爆、噪聲等氣動熱：高超聲速垂直起落、俯仰(偏航)震蕩、搖滾、尾旋等2021/6/2717南航NH-1風(fēng)洞2021/6/2718南航高超聲速風(fēng)洞(NHW)2021/6/2719南航高超聲速風(fēng)洞(NHW)2021/6/2720南航高超聲速風(fēng)洞(NHW)2021/6/2721南航高超聲速風(fēng)洞(NHW)2021/6/2722數(shù)值試驗(yàn)/模擬數(shù)值模擬是計(jì)算流體力學(xué)中的核心。數(shù)值模擬：利用高性能計(jì)算機(jī)，通過數(shù)值求解流動模型的控制方程，得到全流場離散點(diǎn)上的流動參數(shù)，進(jìn)而達(dá)到模擬流動狀態(tài)及過程的目的。作用：揭示流動機(jī)理解釋流動現(xiàn)象數(shù)值仿真2021/6/27232021/6/2724飛行試驗(yàn)根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果，制造原形樣機(jī)，進(jìn)行實(shí)際飛行，以測試飛行器的設(shè)計(jì)指標(biāo)。一般需要3~5架原型機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)?；厣霞壞夸?021/6/2725飛行中的力學(xué)現(xiàn)象飛行器所受的力飛行器所受的力矩典型的流動現(xiàn)象超機(jī)動飛行2021/6/2726飛行中的力學(xué)現(xiàn)象

飛行器所受的力升力：又稱舉力，克服重力，抬起飛行器阻力：含摩擦阻力、壓差阻力等推力：推進(jìn)系統(tǒng)提供重力：飛行器自身重量問題：升力/阻力是怎樣產(chǎn)生的？2021/6/2727速度與壓力的關(guān)系：伯努利公式

此式表明：當(dāng)密度為定值時(shí)(不可壓流)，流速越大的地方，壓力越小。飛行中的力學(xué)現(xiàn)象

升力的產(chǎn)生(1)2021/6/2728飛行中的力學(xué)現(xiàn)象

升力的產(chǎn)生(2)簡單地說：上下翼面的壓力差產(chǎn)生了升力2021/6/2729迎角的定義問題：航海中，為什么規(guī)定兩艘船平行航行時(shí)，不能靠的太近？2021/6/2730壓差阻力：由上下翼面的壓力差產(chǎn)生了升力，同時(shí)，前后翼面的壓力差會產(chǎn)生阻力。摩擦阻力：由于氣流具有粘性，在物面上會出現(xiàn)剪切應(yīng)力，切向應(yīng)力形成摩擦力。理想流體：無粘、不可壓流體實(shí)際流體：有粘、可壓流體飛行中的力學(xué)現(xiàn)象

阻力的產(chǎn)生2021/6/2731飛行中的力學(xué)現(xiàn)象

空氣的粘性實(shí)際上，空氣是有粘性的。在研究流體流動機(jī)理方面，這些粘性效應(yīng)是不容忽視的。在日常生活中，由于空氣粘性很小而不容易察覺?，F(xiàn)實(shí)例子：河中間的河水流速比岸邊快粘性影響下，飛行器表面的氣流應(yīng)該具有與當(dāng)?shù)匚锩嫦嗤乃俣取?在相對坐標(biāo)系下，物體不動，氣流以一定的速度流過物體，此時(shí)，物面空氣質(zhì)點(diǎn)的速度應(yīng)該為零)2021/6/2732飛行中的力學(xué)現(xiàn)象

粘性效應(yīng)速度的分層，粘性流動的速度型2021/6/2733飛行中的力學(xué)現(xiàn)象

粘性效應(yīng)(續(xù))流體微團(tuán)的變形，切應(yīng)力的產(chǎn)生2021/6/2734飛行中的力學(xué)現(xiàn)象

飛行器所受的力矩俯仰力矩：使飛行器抬頭或低頭偏航力矩：使飛行器航向發(fā)生改變滾轉(zhuǎn)力矩：使飛行器繞機(jī)體軸滾轉(zhuǎn)2021/6/2735飛行中的力學(xué)現(xiàn)象

典型流動現(xiàn)象(I)擾動傳播的四種情況：假設(shè)：擾動以聲速傳播。定義：馬赫數(shù)(M)=飛行速度/聲速I.M=0II.M<12021/6/2736飛行中的力學(xué)現(xiàn)象

典型流動現(xiàn)象(I)III.M=1IV.M>12021/6/2737

激波

激波前后流場

物理量的變化飛行中的力學(xué)現(xiàn)象

典型流動現(xiàn)象(I)2021/6/2738激波隨物體形狀的變化2021/6/2739飛機(jī)周圍的激波2021/6/2740飛行中的力學(xué)現(xiàn)象

典型流動現(xiàn)象(II)機(jī)翼翼梢脫出的渦索2021/6/2741飛行中的力學(xué)現(xiàn)象

典型流動現(xiàn)象(III)物體后方的渦系結(jié)構(gòu)，渦的產(chǎn)生、破碎2021/6/2742飛行中的力學(xué)現(xiàn)象

典型流動現(xiàn)象(III)物體后方的渦系結(jié)構(gòu)，渦干擾2021/6/2743飛行中的力學(xué)現(xiàn)象

典型流動現(xiàn)象(IV)紊流流動2021/6/2744飛行中的力學(xué)現(xiàn)象

典型流動現(xiàn)象(IV)無粘流與粘性流動的比較2021/6/2745飛行中的力學(xué)現(xiàn)象

典型流動現(xiàn)象(V)流動隨迎角的變化2021/6/2746飛行中的力學(xué)現(xiàn)象

超機(jī)動飛行“眼鏡蛇”機(jī)動2021/6/2747眼鏡蛇機(jī)動2021/6/2748眼鏡蛇機(jī)動2021/6/2749SU-37超機(jī)動表演飛行中的力學(xué)現(xiàn)象

超機(jī)動飛行回上級目錄2021/6/2750CFD在飛行器設(shè)計(jì)中的作用正問題：

給定飛行器外形，計(jì)算氣動載荷、氣動力及飛行器氣動性能反問題：

給定氣動性能要求，尋求符合要求的飛行器氣動外形綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)過程2021/6/2751CFD在飛行器設(shè)計(jì)中的作用(續(xù))CFD的重要作用以較小的花費(fèi)獲取較全面的信息。如：數(shù)值模擬周期短采用CFD技術(shù)，波音747飛機(jī)的風(fēng)洞試驗(yàn)次數(shù)減少了70%，研制周期比預(yù)定縮短了2年。模擬軟件的功能可不斷更新、擴(kuò)充2021/6/2752CFD在飛行器設(shè)計(jì)中的作用(續(xù))世界各國的航空航天界對CFD都非常重視科研單位大學(xué)型號單位等數(shù)值風(fēng)洞代替大量實(shí)際風(fēng)洞試驗(yàn)2021/6/2753CFD在飛行器設(shè)