航天模型原理与结构—2.空气动力学基本原理

第二节  空气动力学基本原理    当一个物体在空气中运动，或者空气从物体表面流过的时候，空气对物体都会产生作用力。我们把空气这种作用在物体上的力叫做空气动力。    空气动力作用在物体的整个表面上。它既可以产生对飞机飞行有用的力，也可以产生对飞机飞行不利的力。升力是使飞机克服自身重量保持在空气重飞行的力；阻力是阻碍飞机前进的力。为了使飞机能够在空机中飞行，就要在飞机中安装发动机，产生向前的拉力区克服力，飞机和空气发生相对运动，产生升力区克服重力。    为了进一步讨论飞机的升力和阻力，我们需要简单介绍一下空气动力学的几个基本原理。1、相对性原理    在运动学中，把运动的相对性叫做相对性原或者叫做可逆性原理。    相对性原理对于研究飞机的飞行是很有意义的。飞机和空气做相对运动，无论是飞机运动而空气静止，还是飞机静止而空气向飞机运动，只要相对运动速度一样，那么作用在飞机上的空气动力就是一样的。    根据这个原理，在做实验的时候，可以采用一种叫风洞的实验设备。这种设备利用风向或其他方法在风洞中产生稳定的气流。把模型放在风洞里，进行吹风实验，用来研究飞机的空气动力问题，模型在风洞里测出的数据和模型在空气中以相同的速度飞行时测出的数据是相近似的。2、连续性原理    为了一目了然地描述流体的流动情况，需要引入流线的概念。流体微团流动时所经过的路径叫做流线。图1－2  稳定流体的流线    图1－2是稳定流体流过某一个通道的流线。从图中可以看到，截面宽的地方流线系，截面窄的地方流线密。由于流线只能在通道中流动，在单位时间内通过通道上3何截面的流体质量都是相等的。因此，连续性原理可以用下式表示：    假设流体是不可压缩的，也就是说流体密度保持不变，截面1的面积是，截面2的面积是，通过截面1时流体速度是，通过截面2时流体速度是，于是有：    由公式和图可以看到，截面窄、流线密的地方，流体的流速快，截面宽、流线稀的地方，流体的流速慢。通过以上分析就很容易解释窄水流快，路面窄风速大的现象了。3、伯努利定律    如果两手各拿一张薄纸，使它们之间的距离大约4~6厘米。然后用嘴向这两张薄纸中间吹起，如图1－3所示。你会看到，这两张纸不但没有分开，反而相互靠近了，而且用最吹出来的气体速度越大，两张纸就越靠近。这是为什么呢？这就i由于伯努利定律的作用。简单的说流体的速度越大，静压力越小，速度越小，静压力越大，这里说的流体一般是指空气或水，这就是伯努利定律。伯努利定律是空气动力最重要的公式。图1－3  伯努利定律    从这个现象可以看出，当两张纸中间有空气流过的时候，中间空气流动的速度快，压强便小了，纸外压强比纸内大，内外的压强差就把两张纸往中间压2，中间空气流动的速度越快，纸内纸外的压强也就越大。    伯努利定理是能量守恒定律在流体中的应用。当气体水平运动的时候，它包括两种能量：一种是垂直作用在物体表面的静压强的能量，另一种是由于气体运动而具有的动压强的能量，这两种能量的2是一个常数。    静压强度就是通常讲的压强，用表示，单位是，动压强用表示，其中是空气密度，单位是（因为密度和比重的单位关系是，重力的单位是，的单位是，的单位是，所以空气密度的单位是）。如果忽略气体的t缩性以及温度变化的影响，伯努利定理可以用下式表示：ρ    用伯努利定理研究前述截面情况，就有：    从上式可以得知，在不变的情况下，由于截面2处的流速大于截面1处的流速，所以阶面2处的静压强小于截面1处的静压强。    伯努利定律在日常生活上也常常应用，最常见的可能是喷雾器（如图1－4），当压缩空气朝A点喷去，A点附近的空气速度增大静压力减小，B点的大气压力就把液体压到出口，刚好被压缩空气喷出成雾状，读者可以在家里用杯子跟吸管来试验，压缩空气就靠你的肺了，表演时吸管不要成90度，倾斜一点点，以免空气直接吹进管内造成皮托管效应，效果会更好。图1－4  伯努利定律的应用