高速空气动力学

高速空气动力学
本章主要内容
10.1 高速气流特性 10.2 翼型的亚跨音速气动特性 10.3 后掠翼的高速升阻力特性
10.1 高速气流特性
10.1.1 空气的压缩性
空气的压缩性是空气的压力、温度等条件改变而引 起密度变化的属性。
低速飞行(马赫数M<0.4) 空气密度基本不随速度而变化
高速飞行(马赫数M>0.4) 空气密度随速度增加而减小
VAconst
速度增加，空气密度减小。 在超音速时，密度的减小量大于速度的增加量，故加速时要求 截面积增大。 因此，M>1时，流管扩张，流速增加，流管收缩，流速减小。
在超音速气流 中,流管截面积 随流速的变化
●速度、密度和截面积在不同M数下的变化值
气流M数 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6
II. 局部激波的发展
II. 局部激波的发展
●局部激波的形成与发展
1. 大于MCRIT后，上表面先产生激波。 2. 随M数增加，上表面超音速区扩展，
激波后移。 3. M数继续增加，下表面产生激波，
并较上表面先移至后缘。 4. M数接近1,上下表面激波相继移至后
缘。 5. M数大于1,出现头部激波。
④ 翼型的跨音速阻力特性
I. 波阻的产生
波阻就是正迎角时，在跨音速阶段翼型产生的附加吸力向后 倾斜从而在速度方向所附加产生的阻力。
II. 翼型阻力系数随Ｍ数的变化
超过临界马赫数后，波阻急剧增大导致阻力系数急剧增加的 马赫数，称为阻力发散马赫数。
⑤ 翼型的超音速升力特性
膨胀波 激波
在超音速阶段,M增 加，上翼面膨胀波后斜， 弱扰动边界与波前气流 的夹角减小，膨胀后的 压力比 不变而M增加 时降低得少；
② 空气压缩性与马赫数M的关系 M TAS a
马赫数M是真速与音速之比。分为飞行马赫数和局部马赫 数，前者是飞行真速与飞行高度音速之比，后者是局部真速 与局部音速之比（如翼型上表面某点的局部马赫数）。
M数越大，空气被压缩得越厉害。
低速飞行(马赫数M<0.4) 可忽略压缩性的影响
高速飞行(马赫数M>0.4) 必须考虑空气压缩性的影响
① 翼型的亚音速空气动力特性
考虑空气密度随速度的变化，则翼型压力系数基本按同一系 数放大，体现出“吸处更吸，压处更压”的特点。因此，升力 系数增大，逆压梯度增大，压力中心前移,临界迎角减小，阻 力系数基本不变。
② 翼型的亚音速升力特性
I. 飞行M数增大,升 力系数和升力系 数斜率增大
II. 飞行M数增大， 最大升力系数和 临界迎角减小
3. 下翼面扩大到后缘，而上翼面 超音速区还能后缘，上下翼面的 附加压力差增大，CL增加。
下表面达 到音速
上表面激波 移至后缘
下表面激波 移至后缘
II. 最大升力系数和临界迎角随飞行Ｍ数的变化
当激波增强到一定程度，阻力系数急剧增大,升力系数迅速减 小,这种现象称为激波失速。随着飞行M数的增加,飞机将在更小 的迎角下开始出现激波失速,导致临界迎角和最大升力系数的继 续降低。
③ 翼型的亚音速阻力特性
翼型的阻力系数基本不随飞行Ｍ数变化。
④ 翼型的压力中心位置的变化
翼型的压力中心位置基本保持不变。
10.2.2 翼型的跨音速空气动力特性
跨音速是指飞行速度没达到音速，但机翼表面局部已经出现超 音速气流并伴随有激波的产生。
① 临界马赫数MCRIT
机翼上表面流速大于飞行速度，因此当飞行M数小于1时，机翼 上表面最低压力点的速度就已达到了该点的局部音速(此点称为等 音速点)。此时的飞行M数称为临界马赫数MCRIT 。
MCRIT是机翼空气动力即将发生显著变化的标志。
●临界马赫数MCRIT
② 局部激波的形成和发展
I. 局部激波的形成
飞行马赫数大于临界马赫数后，机翼上表面开始出现超音速区。 在超音速区内流管扩张，气流加速，压强进一步降低，与后端的 压强为大气压力的气流相作用，形成一道压力、密度、温度突增 的界面，即激波。
流速增加的百
分比
1%
1%
1%
1%
1%
1%
1%
1%
V/V
密度变化的百
分比
/
-0.04% -0.16% -0.36% -0.64% -1% -1.44% -1.96% -2.56%
截面积变化的
百分比
-0.96% -0.84% -0.64% -0.36% 0 0.44% 0.96% 1.65%
A/A
●超音速气流的获得
激波的视频
●激波实例
●激波实例
●激波实例
●激波实例
③ 翼型的跨音速升力特性
I. 升力系数随飞行Ｍ数的变化
临界M数， 机翼上表面
达到音速ຫໍສະໝຸດ Baidu
1. 考虑空气压缩性，上表面密度
下降更多，产生附加吸力,升力系
数CL增加，且由于出现超音速区， 压力更小，附加吸力更大；
2. 下翼面出现超音速区，且后移 较上翼面快，下翼面产生较大附 加吸力，CL减小；
要想获得超音速气流，截面积应该先减后增。
●The Tailpipe of Space Shuttle
本章主要内容
10.1 高速气流特性 10.2 翼型的亚跨音速气动特性 10.3 后掠翼的高速升阻力特性
10.2 翼型的亚跨音速气动特性
10.2.1 翼型的亚音速空气动力特性
●亚音速的定义 飞行M数大于0.4,流场内各点的M数都小于1。
M增加，下翼面激 波后斜，激波角减小， 下翼面压力比不变而M 增加时增加得少，总的 效果使升力系数减小。
⑥ 翼型的超音速阻力特性
飞行马赫数大于1后，阻力系数会下降,但阻力会随着 M数的增加而增加。
③ 气流速度与流管截面积的关系
由连续性定理，在同一流管内
VAconst
速度增加，空气密度减小。
在亚音速时，密度的减小量小于速度的增加量，故加速时要求 截面积减小。流量一定，流速快则截面积减小；流速慢则截面积 增大。
在亚音速气流 中,流管截面积 随流速的变化
③ 气流速度与流管截面积的关系
由连续性定理，在同一流管内
① 空气压缩性与音速的关系
●音速的定义 扰动在空气中的传播速度就是音速。
●空气压缩性与音速a的关系
a dp d
a39 t273 海里/小时
a20.1 t273公里/小时
音速与传输介质的可压缩性相关，在空气 中，音速大小唯一取决于空气的温度，温度 越低，空气越易压缩，音速越小。
●亚音速、等音速和超音速的扰动传播