Аэродинамика и динамика полета

 

19. Физико-механические характеристики воздуха. Понятия о пограничном слое.

Воздух представляет собой смесь различных газов. В нем находится 78% азота, 21% кислорода и около 1% других газов. Кроме того, в воздухе содер-жатся водяные пары.

Физико-механическое состояние воздуха характеризуется следующими па-раметрами: температурой, давлением, массовой плотностью, относительной плотностью, вязкостью и сжимаемостью.

Температурой называется степень нагретости тела. Она характеризует ско-рость хаотического (теплового) движения молекул вещества: чем больше тем-пература, тем быстрее движутся молекулы, и наоборот. Существует две основ-ные шкалы для измерения температуры: шкала Цельсия и абсолютная шкала. Температура в градусах Цельсия обозначается – °С, а в градусах абсолютной шкалы – Т, град. Связь между ними выражается формулой. CtT o+=273

Давлением (Р) называется сила, действующая на единицу поверхности, пер-пендикулярно к ней: p=f/s

Воздух обладает массой, поэтому его вышележащие слои оказывают давле-ние на нижележащие. Молекулы воздуха, как известно, находятся в непрерыв-ном хаотическом движении и, ударяясь друг о друга или о какие-либо прегра-ды, также создают некоторое давление. Давление, вызываемое массой вышеле-жащих слоев воздуха и ударами хаотически движущихся молекул, называют атмосферным давлением. 1 Па = Н/м2;

1 Н = 1/9,8 кгс

1 кг/м = 9,81 Па;

1 мм рт. ст. = 133,3 Па = 1,333 мбар;

760 мм рт.ст. = 1013 мбар

Плотность вещества характеризуется массой, содержащейся в единице объема, и определяется по формуле p=m/W

Вязкость – это свойство воздуха (жидкости) сопротивляться взаимному сдвигу своих частиц. Причиной вязкости являются силы внутреннего трения частиц друг о друга при их взаимном перемещении

Сжимаемость – это свойство воздуха изменять свой объем, а следовательно, и массовую плотность при изменении давления или температуры. Сжимаемостью обладают все вещества, но одни из них (например, газы) сжимаются легко, т.е. под действием небольших давлений, а другие (например, жидкости) практиче-ски не сжимаемы.

Пограничный слой

Поверхность тела, как бы она не была хорошо обработана, имеет неровно-сти, размеры которых больше размеров молекул воздуха. Пусть около поверх-ности движется воздушный поток со скоростью V

Так как, кроме движения всей воздушной массы относительно тела, внутри нее имеется еще хаотическое (тепловое) движение молекул, то скорость любой молекулы можно представить векторной суммой

За счет скорости VT молекулы отклоняются от общего направления движе-ния воздушной массы и сталкиваются с неровностями стенки. Так как элемен-тарные участки поверхности, о которые ударяются молекулы, расположены со-вершенно случайно относительно вектора VM, то молекулы после столкновения со стенкой отлетают в случайных направлениях. При этом упорядоченное движение молекул разрушается, превращаясь в хаотическое, кинетическая энергия воздушной массы переходит в тепло, а скорость направленного движе-ния воздуха непосредственно на поверхности тела падает до нуля. Поскольку на поверхности тела скорость воздуха равна нулю, а на некотором расстоянии

от этой поверхности поток движется со скоростью V, то в результате проявле-ния вязкости воздуха здесь образуется переходный слой.

Слой воздуха, непосредственно прилегающий к поверхности тела, в котором действуют силы вязкого трения, и скорость постепенно нарастает от нуля до скорости внешнего потока, называют пограничным слоем (ПС). Вне ПС (в ос-новном потоке) влияние вязкости практически отсутствует. ПС очень тонок – его толщина измеряется миллиметрами, причем она нарастает постепенно от передней части тела к задней. Позади тела ПС переходит в приторможенную область потока, заполненную мелкими вихорьками (так называемый «след»), который по мере удаления постепенно размывается и исчезает (см. рис. 1.4).

Таким образом, поток, обтекающий поверхность крыла, можно разделить на два слоя:

пограничный, в котором имеет место относительное движение слоев воз-духа, а значит, и проявляются силы вязкости (трения), воспринимаемые крылом;

поток вне ПС (основной поток), текущий с постоянной скоростью; си-лы вязкости в этом слое не проявляются.

По характеру течения воздуха ПС делятся на два типа: ламинарный и турбу-лентный.

В ламинарном ПС отдельные струйки воздуха движутся все время парал-лельно поверхности тела, не приближаясь и не удаляясь от нее

В турбулентном ПС наблюдается непрерывное перемешивание струек, при-ближение их к поверхности тела и удаление от нее

Как уже было сказано выше, ПС и основной поток взаимосвязаны. Назовем ряд важных явлений, характеризующих это взаимодействие.

1. Заторможенный ПС как бы увеличивает толщину обтекаемого тела, особенно в задней его части, уменьшая тем самым сечения струек основного потока, проходящих поблизости.

2. Если вдоль струек основного потока наблюдается нарастание давления, связанное с понижением скорости, это усиливает торможение частиц в ПС, а сильное нарастание давления может не только остановить частицы в ПС, но и создать возвратное течение у поверхности, которое вызывает отрыв ПС, а сле-довательно, и срыв потока

3. Переход ПС из ламинарного состояния в турбулентное сопровождается увеличением его толщины.

20. Геометрические характеристики профиля и крыла.

При движении в воздухе самолета на все его части действуют аэродинами­ческие силы. Основной частью самолета, поддерживающей его в воздухе, явля­ется крыло.

Величина и направление аэродинамических сил, действующих на крыло, в значительной степени определяются формой профиля крыла, очертанием его в плане и видом спереди. Наибольшее распространение на самолетах получили трапециевидные, прямые и стреловидные крылья. Крыло обычно имеет плос­кость симметрии, совпадающую с плоскостью симметрии самолета. Рассмот­рим основные геометрические характеристики крыла.

Профилем крыла называется форма его поперечного сечения. Профили крыла бывают разнообразной формы. Профили могут быть симметричными и несимметричными. Несимметричные профили, в свою очередь, делятся на двояковыпуклые, плосковыпуклые, вогнутые и S-образные (рис. 2.1).

Крыльевые профили характеризуются следующими основными параметра­ми: величиной хорды, относительной толщиной и относительной кривизной.

Хорда профиля крыла – отрезок прямой, соединяющий ребро атаки с ребром обтекания (рис. 2.1). Хорда обозначается буквой в (обычно измеряется в метрах).

Толщина профиля С крыла измеряется длиной отрезка между его верхним и нижним контурами перпендикулярно хорде в. Относительной толщиной про-филя называется отношение его максимальной толщины Cmax к хорде в, выра-женное в процентах:

 Относительная толщина профилей современных крыльев равна 8 – 16%.

Существенным геометрическим параметром профиля является его кривизна, которая характеризуется кривизной средней линии профиля. Средней линией профиля называют линию, соединяющую середины отрезков профиля, перпен-дикулярных хорде. Кривизной профиля f называется расстояние между хордой и средней линией профиля  

Отношение максимальной кривизны к хорде, выраженное в процентах, на-зывают относительной кривизной профиля

Если f = 0, то это означает, что профиль симметричный. Относительная тол-щина современных профилей ко-леблется от нуля до +2%.

По форме в плане крылья де-лятся на прямоугольные, трапе-циевидные, эллипсовидные и стреловидные

Эллипсовидные крылья обладают наилучшим аэродинамическим качеством, но ввиду сложности производства они широкого распространения не получили. Трапециевидное крыло является наиболее распространенной формой крыла. Вся современная реактивная техника имеет стреловидную форму крыла в плане.

Форма крыла в плане характеризуется размахом, площадью, удлинением и сужением.

Размахом (L) называется расстояние между концами крыла. Площадью крыла (S) называется площадь, ограниченная контуром крыла в плане. Суже-нием называется отношение корневой хорды вкорн к концевой в конц:

Сужение современных крыльев в среднем равно 2 – 3.

Удлинением крыла (λ) называется отношение размаха крыла к средней аэ-родинамической хорде, то есть

 

Углом стреловидности (χ) называется угол, заключенный между линией фокусов и поперечной осью самолета (см. рис. 2.3). Крылья современных транспортных самолетов имеют стреловидность χ = 25 – 37°.

Углом поперечного “V” крыла называется угол, заключенный между попереч-ной осью самолета и нижней поверхностью крыла. Угол поперечного “V” крыла может быть положительным или отрицательным и составляет у современных само-летов “V”= -1…+5°. Положительное поперечное “V” крыла улучшает поперечную устойчивость самолета и создает большую безопасность при посадке.

С целью улучшения летных характеристик самолета на крыльях применяет-ся геометрическая и аэродинамическая крутки.

Геометрической круткой называют изменение угла установки профилей вдоль размаха крыла. Аэродинамически закрученным крылом называется крыло, которое набрано из различных профилей по толщине, кривизне и по типу.

Средняя аэродинамическая хорда крыла (САХ) – это хорда условного пря-моугольного крыла, равновеликого по площади крылу данного самолета и эк-вивалентного ему по своим аэродинамической силе и моменту.

21. Аэродинамические характеристики профиля и крыла.