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阻力的构成(摩擦阻力、压差阻力、诱导阻力、寄生阻力、(波动阻力))以及整机的阻力系数

 挚昊555 2024-05-11 发布于广东
整架飞机的空气动力就是飞机各部分所受到的空气动力的总和。由于飞机的升力主要是机翼产生的,其他部分包括尾翼在内产生的升力都很小,所以认为整架飞机的升力都是由机翼提供的,不会产生多大误差。
至于阻力,飞机的各部分都会产生,而且因为部件与部件之间的干扰作用,使总的阻力有时会比这些部件单独阻力的总和还多。


翼型阻力

翼型的阻力主要由两部分组成:摩擦阻力和压差阻力。

摩擦阻力又称表面阻力,是由于空气黏性作用产生压差阻力又称形状阻力,是由于物体前后压力不同而产生


摩擦阻力

在飞行中,空气贴着飞机表面流过,由于空气具有粘性,与飞机表面发生摩擦,产生了阻止飞机前进的摩擦阻力。

物体表面的光滑程度直接影响到气流的流动,所以减小摩擦阻力的主要办法是尽量把物体表面加工得光滑一些,以减少表面上各种凸起物阻碍气流流动。


压差阻力

主要决定于物体的形状,不过产生这种阻力的根本原因与空气黏性有关。相对气流流过机翼时,机翼前缘的气流受阻,流速减慢,压力增大;而机翼后缘气流分离,形成涡流区,压力减小。这样,机翼前后产生压力差形成阻力。这个阻力称为压差阻力。

图片

用圆球举例,当气流流过圆球时,流动的情况如图a所示,圆球前后上下的压强分布相同,所以也没有压差阻力;只在空气有黏性时,气流流过圆球表面损失了一些能量,不能绕过圆球回到圆球的后面去,于是产生气流分离现象,如图b所示。这时圆球后面的气流形成涡流区,压强在圆球前面较低,于是前后压力差产生压差阻力。

很明显,要想减小压差阻力必须减少物体后面的涡流区,增大物体后面气流的压强,一般流线型的物体能很好地满足这一要求。气流流过良好流线型物体所产生的阻力只有圆球阻力的1/5左右。



机翼阻力

如果机翼的展长是无限大,则机翼的气动特性如升力特性、阻力特性、力矩特性和翼型的相应特性没有区别。但实际上所有飞机的翼展都是有限的,这就带来机翼区别于翼型的三维效应。

机翼阻力主要分为摩擦阻力、压差阻力和诱导阻力。


诱导阻力

又称感应阻力,这是机翼所独有的一种阻力。因为这种阻力是伴随着机翼上升力的产生而产生的,因此可以说它是为了产生升力而付出的一种代价。

升力的产生来源于机翼上、下表面的压强差,即下表面的压强大于上表面。翼尖附近的气流在压差的作用下,下翼面的高压气流会绕过两端翼尖,向上翼面的低压区流去。这样既减小了升力,又产生了阻力,这就是诱导阻力。



整机阻力

飞机飞行中所受到的空气阻力,分成四大类。分别是摩擦阻力、压差阻力、寄生阻力及诱导阻力,飞行阻力是这四种阻力的合成。


寄生阻力

也称附加阻力、杂散阻力或废阻力,是指物体在流体中运动,由于流体黏度或压强差所造成之阻力寄生阻力主要可以分为摩擦阻力、压差阻力及干扰阻力三种。
其中摩擦阻力及压差阻力之和也称为型阻。若物体附近有其他相邻近的物体,会产生干扰阻力,有时也会视为寄生阻力的一部分。
一般来说,对于流线型物体,如飞机的机身,产生的阻力中摩擦阻力占总阻力的大部分;而对于非流线型的物体,如平板、圆球等,压差阻力在总阻力中占主要地位。但不管哪一种阻力都是直接或间接由空气黏性的影响而产生的。

波动阻力

若速度已到达穿音速超音速时,除了寄生阻力及诱导阻力外,还会产生波动阻力。


寄生阻力与诱导阻力之间的关系

低速时由于飞机要维持升力,需要加大攻角,而诱导阻力也随之提高。当速度提高时,诱导阻力下降,由于物体和流体之间的相对速度提高,寄生阻力也随之提高。

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摩擦阻力、压差阻力、寄生阻力与速度的平方成正比,诱导阻力则与速度的平方成反比。速度提高时,诱导阻力下降,其他阻力却随之上升,因此总阻力会在某一速度时出现最小值。

若飞机以此速度航行,其效率会等于或接近其最佳效率。不过若要使续航能力最大化,飞机的速度需保持在需输出功率最小的速度,此速度一般会比对应最小阻力的速度要小。

在最小阻力点,零升力阻力系数 (当升力为零时的阻力系数)会等于诱导阻力系数 。但在输出功率最小的速度,零升力阻力系数会是诱导阻力系数的三分之一。



机翼的阻力系数

机翼的阻力可以用下式来表示:

其中

式中  为零升力阻力系数。

诱导阻力系数:

式中:

    ——机翼的升力系数;

    ——机翼的展弦比。

从式中可看到,展弦比愈大诱导阻力便愈小。不过必须注意,用这个公式计算时,还要考虑到机翼的平面几何形状。

这个公式适用于椭圆形和梯形机翼,如为长方形加椭圆翼尖的机翼,诱导阻力比用这公式算出来的值大5%~10%,也就是说还应乘上1.05~1.10。



整机的总阻力系数
知道整架飞机的总废阻力系数后,再加上机翼的诱导阻力系数,便是整架飞机的总阻力系数

式中:

    ——飞机的总阻力系数;
    ——飞机的总废阻力系数;
    ——飞机的诱导阻力系数。
利用总阻力系数计算飞机的总阻力时只要乘上机翼面积 即可。
如何求解飞机的总废阻力系数 ,将在下一期中讲解!


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