2012,2 空气动力学与飞行力学 北京航空航天大学自动化学院 张平 飞行控制系统 飞行器+控制系统 ? 闭合回路 飞行器 空气中的运动体,一个复杂的被控对象,要想控制它,需要了解气流特性与飞行器在气流中飞行时的特性 空气动力学 研究空气的流体特性 飞行力学: 研究飞行器在大气中飞行时的受力与运动规律,建立飞行器动力学方程 引言 第一节 空气动力学的基本知识 第二节 飞行器运动参数与操纵机构 第三节 空气动力与气动系数 参考文献:飞行控制系统,张明廉著(电子扫描版) 本节课内容 第一节 空气动力学的基本知识 一、流场 定义 可流动的介质(水,油,气等)称为流体,流体所占据的 空间称为流场。 流场的描述 流体流动的速度、加速度以及密度p、压强p、温度T(流体 的状态参数)等—几何位置与时间的函数 (1)流体微团: 空气的小分子群,空气分子间的自由行程与飞行器相比较 太小,可忽略分子的运动 (2)流线: 流体微团流动形成的轨线 特性:流线不相交、流体微团不穿越流线(分子的排斥性) 一、流场(续) (3)流管: 多个流线形成流管 管内气体不会流出 管外气体也不会流入,不同的截面上,流量相同 (4)定常流: 流场中各点的速度、加速度以及状态参数等只是几何位置的函数,与时间无关 空气动力学中的大部分问题是定常流问题(简化) (5)流动的相对性 物体静止,空气流动 物体运动,空气静止 相对速度相同时,流场中空气动力相同 二、连续方程 在流管上取垂直于流管中心线上流速方向的两个截面, 截面I: 截面Ⅱ: 空气流动是连续的,处处没有空隙 , 定常流—流场中各点均无随时间分子堆积,因而单位时间内,流入截面Ⅰ的空气质量必等于流出截面Ⅱ的空气质量 质量守恒原理在流体力学中的应用 或写成: 微分形式: 一般在V小、小范围内: 连续方程: A大,V小 A小,V大三、伯努里方程(能量守恒定律) 在空气低速不可压缩的假设下,密度为常数, 伯努里方程: 其中:p-静压, 1/2?V2 — 动压,单位体积的动能,与高 度、速度有关 表明静压与动压之和沿流管不变 当V=0,p=p0,—最大静压,总压 ? V大,p小;V小,p大 后面的一些结论来自于伯努里方程 四、马赫数M 马赫数 定义为气流速度(V)和当地音速(a)之比: 音速: T:空气的绝对温度,随高度h变化 空气中的音速—声波的传播速度,空气受扰时的传播速度 M数:表示空气受压缩的程度 五、弱扰动的传播 飞机在大气中飞行 — 扰动源 扰动源以速度V在静止空气中运动,相当于扰动源静止而空气以速度V流动 1)扰动源V=0,扰动以音速传播(图a) 2)Va,M>1, (图d) 前方空气未受扰 飞机前端临近空气? 突然?,形成激波 受扰区限于扰动源 下游的马赫锥内 临界马赫数M 临界马赫数Mcr 翼面上最大速度处的流速=当地音速a时,远前方的迎面气流速度V?与远前方空气的音速a?之比 迎面气流的M数超过Mcr时,翼面上出现局部的超音速区, 将产生局部激波 ,Mcr-每种机翼的特征参数 飞行速度定义 M