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1、 空氣動力學(xué)與飛行器設(shè)計 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？ 、、、 主 要 內(nèi) 容 前言 飛行中的力學(xué)現(xiàn)象 CFD在飛行器設(shè)計中的重要作用 空氣動力學(xué)研究動態(tài) 前 言 現(xiàn)代飛行器的主要特點 現(xiàn)代飛行器設(shè)計對研究方法的要求 飛行器設(shè)計的主要研究方法 回上級目錄 現(xiàn)代飛行器的主要特點 民用飛行器 (貨運飛機(jī)、客運飛機(jī)等 ) 航程 /航時長 有效載重大 運行成本低

2、 安全性高 軍用飛行器 (運輸機(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 現(xiàn)代飛行器的主要特點 (續(xù) ) 先進(jìn)飛行器 (戰(zhàn)斗機(jī) )設(shè)計特點 翼身融合設(shè)計 鴨式布局 (跨、超聲速飛行器 ) 乘波外形設(shè)計 (高超聲速飛行器 ) 機(jī)體 /進(jìn)排氣一體化設(shè)計 氣動 /隱身一體化設(shè)計 綜合性能優(yōu)化設(shè)計 典型飛行器演示圖片 X32 X32 X35 B2 法國 Rafale戰(zhàn)機(jī) 回上級目錄 現(xiàn)代飛行器設(shè)計方法的要求 周期短 成本低 可重復(fù)實驗 結(jié)果可靠 可提供飛行

3、器設(shè)計所需的參數(shù) 回上級目錄 飛行器設(shè)計的主要研究方法 風(fēng)洞試驗 ： Wind-tunnel Experiment 數(shù)值試驗 /模擬 : Numerical Simulation 飛行試驗 ： Flying Test 理論分析 : Theoretical Analysis 回上級目錄 風(fēng)洞試驗 風(fēng)洞實驗是實驗空氣動力學(xué)中的一個重要 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)計及飛行試驗提供技術(shù)參數(shù)。 優(yōu)點：能模擬飛行環(huán)境。 缺點：成

4、本高、周期長、技術(shù)難度大。 風(fēng)洞試驗 (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 南航 NH-1風(fēng)洞 南航高超聲速風(fēng)洞 (NHW) 循 環(huán) 水 池 空 壓 機(jī) 房 去 圬 池 真 空 球 罐 消 音 池 真 空 泵 房 數(shù) 采 間 衛(wèi) 生 間 控 制 間 閥 門 間 鉗 工 間 N H - 1 風(fēng) 洞 實 驗 大 廳 南航高超聲速風(fēng)洞 (NHW) 南航高超聲速風(fēng)洞 (NH

5、W) 南航高超聲速風(fēng)洞 (NHW) 數(shù)值試驗 /模擬 數(shù)值模擬是計算流體力學(xué)中的核心。 數(shù)值模擬：利用高性能計算機(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 飛行試驗 根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果與風(fēng)洞試驗結(jié)果，制 造原形樣機(jī)，進(jìn)行實際飛行，以測試飛 行器的設(shè)計指標(biāo)。 一般需要 35架原型機(jī)進(jìn)行實驗。 回上級目錄 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 飛行中的力學(xué)現(xiàn)象 飛行器所受的力 升力：又稱舉

6、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？ 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 (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) 常數(shù) 2 2 UP 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 迎角的定義 問題：航海中，為 什么規(guī)定兩艘船平 行航行時，不能靠 的太近？ 壓差阻力：由上下翼面的壓力差產(chǎn)生了升力， 同時，前后翼面的壓力差會產(chǎn)生阻力。

7、 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 飛行中的力學(xué)現(xiàn)象 空氣的粘性 實際上，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。 現(xiàn)實例子：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，物面空氣質(zhì)點的速度應(yīng)該為零 ) 飛行中的力學(xué)現(xiàn)象 粘性效應(yīng) 速度的分層

8、，粘性流動的速度型 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 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) 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=0 II. M1 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) 激波隨物體形狀的變化 飛機(jī)周圍的激波 飛行中的力學(xué)現(xiàn)象 典型流動現(xiàn)象

9、(II) 機(jī)翼翼梢脫出的渦索 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 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 飛行中的力學(xué)現(xiàn)象 典型流動現(xiàn)象 (IV) 紊流流動 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 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 飛行中的力學(xué)現(xiàn)象 超機(jī)動飛行 “眼鏡蛇”機(jī)動 眼鏡蛇機(jī)動 眼鏡蛇機(jī)動 SU-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 CFD在飛行器設(shè)計中的作用 正問題： 給

10、定飛行器外形，計算氣動載荷、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)計過程 CFD在飛行器設(shè)計中的作用 (續(xù) ) CFD的重要作用 以較小的花費獲取較全面的信息。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 CFD在飛行器設(shè)計中的作用 (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)洞代替大量實際風(fēng)洞試驗 CFD在飛行器設(shè)計中的作用 (續(xù) ) CFD在其他領(lǐng)域的應(yīng)用 天氣預(yù)報 海洋流動 大氣污染 微流體 滲透、潤滑 人體血液循環(huán) 核爆炸等 回上級目錄 空氣動力學(xué)研究動態(tài) 高超聲速空氣動力學(xué) 磁流體力學(xué) 超聲速燃燒 高超聲速飛行武器 空天飛行器 、、、 高超聲速 回上級目錄