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飞机和直升飞机的升空原理是伯努利原理、攻角、反作用力吗?

归档日期:07-11       文本归类:反作用力      文章编辑:爱尚语录

  如果单独从翼型的角度谈升力,也就是二维流动的问题,这时无论飞机机翼还是直升机旋翼,其升力产生的机理是一样的。但如果推广到三维流动,也就是考虑机翼/旋翼的展长,由于直升机旋翼必须考虑其旋转运动,它的流场要复杂很多,我回答不了。

  另外,升力可以理解为机翼/旋翼与空气之间的作用力与反作用力之一(维基上是这么说的),但是这样理解似乎不能对气动力的计算及其成因的解释起到什么作用。

  根据边界层理论,机翼升力问题可以视为理想无粘流动问题,控制方程为欧拉方程。

  由于计算升力都是针对某一特定状态的,可认为此时流场暂时被冻结,故可视为定常流问题。(在飞机做大迎角机动或处于失速过失速状态时,该简化失效。至于非定常问题怎么处理,请Google相关文献吧。)

  根据速度的不同,机翼升力的问题应分为低速不可压流和高速可压流问题,两者的临界点大致是马赫数M=0.3~0.4。

  从上图可以看出来,对于有旋流,来流为直匀流,则各流线总压应相等,所以此时全场总压也是相等的。因此,对低速不可压定常无粘流,动压和静压,也就是速度和压力,确实是此消彼长的关系。因此可以用翼型上下表面流动速度差引起压力差来解释气动力的产生,而升力就是气动力垂直来流方向的分量。

  上下表面流体经过时间相同的说法我不知道根据在哪,倒是在维基百科上有一处它的反例:

  接下来的问题就是这个涡/环量是哪来的。对此,北大吴望一老师的《流体力学下册》第67页给出了详细的解释,总结一下就是:翼型在流体中启动前,绕翼型环量为0,;启动瞬间在翼型上表面后驻点处有速度间断点,附近会出现很大的逆压梯度导致瞬间的边界层分离,分离的流体在尾角点处卷成一个涡旋(启动涡);由于在一个封闭环线内环量守恒,所以在翼型上会出现一个与绕启动涡的环量等大反向的绕翼型环量。随着流动速度增大,流动分离继续,绕翼型环量逐渐增大,后驻点逐渐后移至角点处,机翼上下气流在后缘平滑相遇不再分离,则绕翼型环量稳定在一个值。说的再简单一点就是:翼型相对来流产生速度的过程中会甩出一个涡,因为环量守恒,所以翼型上产生了一个涡。该过程可参考如下示意图:

  这部分对升力的解释主要适用于低速不可压(即M0.3/0.4,大部分航模和小型螺旋桨飞机都属于此类;另外,所有飞机的起降状态也在这个范围里)的情况。当M=0.4但0.8时,上面的解释也可用,但应加入压缩性修正。

  针对M=0.4(少数螺旋桨飞机和几乎所有的喷气飞机)的情况,应使用高速可压定常无粘流对应的理论,这时欧拉方程可以简化为非线性的全速位方程。在超声速(M1.2)时,若翼型有小迎角,则上翼面前缘的切线相对来流的凹角较下翼面为小,因此上翼面激波较下翼面弱,其马赫数较下翼面大,波后压强较下翼面低,从而产生压力差,进而获得升力(当然还有其他一些更复杂的情况)。由此也可看出,对超声速飞机而言,升力源于机翼上下表面的激波强度差。在数值上,升力与翼型无关,仅与迎角有关。

  跨声速(0.8M1.2)升力则能看作是亚声速和超声速的混合,要更复杂。

  上文的解释全部针对翼型的升力,对于真实的三维机翼,展弦比、根梢比等机翼平面形状参数和飞机不同部件的相互干扰等也会对升力产生影响。

  机翼如图(丑了点将就看吧),只要做成上面凸起来,使得气流在相同时间内通过机翼上方时走的路程比从机翼下方的通过时长,则上面的空气速度比下面快,根据伯努利方程

  机翼与气流的角度称为攻角。当攻角改变时,作用在机翼上的升力也会发生变化。一定范围内,攻角增大,机翼上面的气流速度加快,飞机升力也会增大。但是大于一定角度时,气流流场发生突变,飞机的升力不再随攻角增大而增大。

  这个有人做过这么一个实验:在机翼前方对来流气体进行染色,观察机翼上下部分的流体是否同时到达机翼后缘。结果是两部分流体不是同时到达的。

  所以上面突起部分的路程更长,也不能说明上方的气流速度更快。因而伯努利方程没法使用。

  实际上飞机受到向上的升力,说明它对气体产生了向下的作用力。因此由动量定理,这些气体获得向下的动量。

  直升机升空的原理和竹蜻蜓是一样的,主桨桨叶上产生升力。至于你说的玩具有两个桨,而真机只有一个,应该是上下两层吧,总共四片桨叶,而真机只有一层。都知道,主桨高速转动,会给机身一个反方向的扭矩,如果不加以平衡,机身就会沿着和主桨转动方向相反的方向高速自旋,这样的直升机能飞么?玩具的两层桨叶就是平衡这个扭矩的,你仔细观察下,上下桨的转动方向一定是相反的,也就是靠两对桨叶给机身的扭矩来平衡机身,它们给机身的扭矩方向是相反的,如果大小也相同,那么机身就能保持稳定。但是真机,或者真正的航模直升机,都是单层桨叶的,因为它们都带尾桨,靠尾桨产生的推力来稳住机身。主桨产生的扭矩如果会使机尾顺时针旋转,那么就让尾桨产生逆时针的推力,平衡这个顺时针的扭矩。

  直升机的升降、进退是通过所谓总钜、周期矩控制的,具体的,就是调节桨叶的迎角。

  @olazuwon兄,我觉得你说的还是有点绝对,压力差是确实存在的,速度差是确实存在的。伯努利的理论也是对的,只是错在“相同经过时间”的臆想,也就是你说的试验所证伪的。但是这不能作为速度差不存在的证据,不能作为伯努利理论不适用的论据。

  而您“实际上飞机受到向上的升力,说明它对气体产生了向下的作用力。因此由动量定理,这些气体获得向下的动量”的说法,倒是让我想到了“知识改变命运啊”的笑话,并没有因果上的、原理上的价值。

  例如普通的客机,可以认为头部是向下的锥形,尾部是向上的锥形,中段是圆筒。实际飞行时,那两个锥形的中心线和前进方向却是大致平齐,而中段圆筒倒是斜着的。那么机身的动压相比也提供了客观的升力,机翼下面的动压更是不可忽略的。

  看看81192监视p3c的视频,81192迎角那么大,大概动压是升力中重要的部分

  同意@halalia的说法,迎角产生的压差和速度差是产生升力的最主要原因。@lotus9的说法我记得是上中学时候物理老师给我们灌输的,当时还强调飞机机翼是不对称的,似乎对称机翼就不行。现在想来真是……哎。

  @olazuwon的说法部分正确,但是还是有有失偏颇的成分,@halalia均已经一一指出。关于@olazuwon提到的实验,我想应该是指的剑桥大学Holger Babinsky教授的实验。但是他证明的却正好和olazuwon所说相反。他证明了机翼上方的气流速度的确比下方快。

  直升机向下吹的风力特别大,在空中看不出来,但是他如果靠近地面时,就会看到地面的草木、水,或者软弱的东西会被压平。看电视里直升机居然能吊起坦克,难以想象旋翼的材料真强大。

  看了上面专业人士全都在强调伯努利的原理,个人感觉不对,我直觉理解是这样的:

  任何情况下,仰角带来的向上分力都远远大于伯努利升力,只是仰角还有个向后的分力,会浪费燃油。低速情况下,伯努利很小,飞机主要靠仰角提供升力,高速情况下,伯努利力足够大,可托起飞机了,这个时候仰角就退居二线,因为用仰角带来额外的阻力,浪费燃油,也容易压坏飞机。如果不管这些,你把波音翅膀做成平板,一样可以飞。

  其实“漩涡(vortex)”的“离心力”和伯努利定理都对机翼产生“升力”有用,当然主要还是前者。

  低速飞行的飞机和鸟类(昆虫翅膀上是另一种“涡”),其机翼上部的曲面产生了附着于表面的“漩涡(vortex)”,叫做“附着涡”。

  那么什么叫做“漩涡(vortex)”?它有什么性质?其实可以对比大自然的“台风”,它们都有一个高速旋转的其内侧有一个空心的“黏性涡核”,涡核的侧壁气流的速度最高,其剪切(诱导)了外层无数厚层的空气一起旋转,正是这个带动大量空气旋转的“漩涡”的“离心力”,对抗(或平衡)了上方的大气压力,这才是低速(中低亚声速)机翼的主要升力;

  伯努利定理的适用条件,是在理想的不可压缩的且无粘性的流体内部,但是其实空气都是有粘性的,而且,在高亚声速及超声速以后还要考虑空气的可压缩性。。。。所以在低速(中低亚声速)的飞机机翼上表面,是由于空气的粘性中,形成了附着于曲面上的“漩涡(vortex)”,叫“附着涡”,正是其剪切(诱导)了上方很厚的空气流层的旋转,形成的“离心力”,对抗(平衡)了大气压,当然形成了低压区,使得气体分子的密度也稀薄了,就是低速机翼的“升力”;

  但是,也不要完全否定伯努利定理在机翼形成“附着涡”的过程中的应用,因为,在低速机翼的前缘都要有一个小圆头,前方来流冲击在小圆头上,正是因为伯努利定理,使得气流在圆头正向一点受到了冲击的高压力,然后再向小圆头的上部伸展流动(如一个收缩的流管),则加速了机翼上表面“附着涡”的流动速度,所以其实这个“附着涡”的流动速度反而比“来流 (飞机的速度)还要高一些!。。。。这就是极大的增加了“附着涡”产生的“离心力”,当然升力的效率大大增加了(相当于机翼上表面的“附着涡”,剪切和诱导了更大质量的上方空气,最后流向下方的“下洗流”的总动量)!

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