飞机原理与构造第四讲_高速空气动力学基础

飞机原理与构造

第四讲

第三章高速空气动力学基础

2012/9/2

第三章高速空气动力学基础一、高速气流的特性二、激波与膨胀波三、高速气流中作用于翼型上的空气动力四、后掠机翼

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高速气流的特性

当飞机由低速飞行进入高速飞行，就会遇到某些激波、局部激波等与低速飞行截然不同的现象。这主要是高速飞行时，空气密度随飞行速度的变化而变化，使飞机空气动力发生了新的变化。这种变化，又是由于高速飞行中气流特性发生了显著变化所致。

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高速气流的特性空气的压缩性与飞行速度的关系

高速气流之所以与低速气流有如此的差别，其根本原因是空气具有压缩性的缘故。空气由于压力，温度等条件改变而引起密度的变化叫做空气的压缩性。由于空气的压缩性会引起一系列的问题：弱扰动的传播，高速气流中压力和流速随流管截面积的变化，激波等。

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高速气流的特性空气的压缩性与飞行速度的关系在大速度情况下，气流速度变化引起空气密度的变化显著增大，就会引起空气动力发生额外的变化，甚至引起空气动力规律的改变，这就是高速气体特性所以区别于低速气流根本点。飞行速度 200 400 600 800 1000 1200

空气密度增加的百分比

1.3%

5.3%

12.2% 22.3%

45.8%

56.6%

空气密度随飞行速度变化的关系

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高速气流的特性空气的压缩性与温度的关系空气本身温度越高，越不易被压缩。

这种现象是空气分子热运动影响的结果。温度越高，空气分子的整运动速度越大，在外界压力改变量相同的条件下，体积变化小，密度变化也较小、空气压缩性较少。气体温度越高，它抵抗外界压缩的能力越强，越难压缩。空气密度是否容易变化，与温度有很大的关系。

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高速气流的特性音波、音速、马赫数音速：扰动在空气中的传播速度就是音速。

鼓音(音波)的传播

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高速气流的特性音波、音速、马赫数音波—弱扰动波由于空气具有可压缩的物理特性，当空气受扰动时会使空气的压力和密度发生了变化，就产生压力一升一降，密度一疏一密的扰动波，一个接着一个地向外传播，这种扰动波是空气被压缩和膨胀交替变化的结果，因此，我们把这种空气不断反复发生扰动的弱扰动波称为音波。

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高速气流的特性音波、音速、马赫数音速(a):弱扰动在静止空气中传播的速度叫做音速音速约等于每小时1227公里或每秒341米。音速大小用字母a来表示。 1)音速的快慢，取决于传播的介质。介质越难压缩，音速就越大。 2)音速的快慢，取决于空气温度变化

。空气的压缩性取决于空气温度，所以音速在空气中的快慢最终取决于空气温度。气温低时，空气容易压缩，不能快速挤压周围空气，音速慢。 3)音速的快慢，取决于高度的变化。音速一般在10—11公里以下，高度升高，音速下降。2012/9/2

高速气流的特性音波、音速、马赫数马赫数(M数)全面衡量空气压缩量的大小，要同时考虑飞行速度和音速两个因素，一般用气流速度和音速的比值来综合表达对空气压缩性的影响，这个比值称为马赫数(称M数)。

M=V/a

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高速气流的特性恩斯特·马赫(Ernst Mach,1838-1916)奥地利杰出的物理学家、心理学家和数学家，同时又是一位伟大的哲学家。他促成了实证主义向逻辑经验主义的过渡，形成了哲学史上著名的马赫主义哲学。1855年马赫进维也纳大学学习物理和数学，于1860年获得博士学位。以后他进行一系列物理学方面的实验研究，如

有关冲击波的研究。在心理学上他也取得了一些重大进展，如“马赫带”的发现等。

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高速气流的特性他研究物体在气体中高速运动时，发现了激波。确定

了以物速与声速的比值(即马赫数)为标准，来描述物体的超声速运动。马赫效应、马赫波、马赫角等这些以马赫命名的术语，在空气动力学中广泛使用，这是马赫在力学

上的历史性贡献。20世纪物理学的两大杰出理论体系相对论和量子力学的建立，都是受马赫的启发和影响而完成的。

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高速气流的特性空气压缩性与音速a的关系a dp d 海里/小时公里/小时

a 39 t 273a 20.1 t 273

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。2012/9/2

高速气流的特性亚音速、等音速和超音速的扰动传播

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高速气流的特性空气压缩性与马赫数M的关系马赫数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。

TAS M a

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2012/9/2

高速气流的特性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

VA const

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2012/9/2

高速气流的特性

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

VA const

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

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高速气流的特性速度、密度和截面积在不同M数下的变化值气流M数流速增加的百分比

0.21%

0.41%

0.61%

0.81%

1.01%

1.21%

1.41%

1.61%

密度变化的百分比截面积变化的百分比

-0.04%

-0.16%

-0.36%

-0.64%

-1%

-1.44%

-1.96%

-2.56%

-0.96%

-0.84%

-0.64%

-0.36%

0

0.44%

0.96%

1.65%

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高速气流的特性超音速气流的加速性低速气流的气流特性是：流速要加快，流管势必变细。超音速气流的气流特性是：流速要加快，流管必须变粗。流管形状低速气流(不可压缩)亚音速气流(Ma<1)超音速气流(Ma>1)压力减小压力增大流速增大密度减流速减小密度增大小温度降低温度升高

压力减小收缩的流管流速增大密度不变温度不变扩张的流管流速减小

压力增大密度不变温度不变

压力增大压力减小流速减小密度增流速增大密度减小大温度升高温度降低

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