【空氣動力學】為什么大展弦比機翼的誘導阻力相對較小?​


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hao apple39 人贊同了該回答

作為一名飛行器工程師,這里好好來回答一下這個問題。

首先來了解一下升力原理

假設氣流吹過機翼表面,氣流對於機翼表面,有兩個力:一個由於空氣壓力垂直於機翼表面的壓力F,一個因為空氣黏性,產生的切向力F。所有機翼表面S,受到的力加起來,等於:一個力F,和一個力矩M。

F + 力矩M = 作用一特定點p的力F

 

 這個特定點p,被稱作:氣動中心。力F平行於“來流”的分力,稱作“機翼阻力”Fx,垂直於“來流”的分力,稱作“機翼升力”Fl。以“來流”的方向為x軸正方向,建立x-y坐標系,稱作“來流坐標系”,F就可以表示成 F(F_x,Fl)。

F總是相對於“來流坐標系”而言的。理解這一點,理解升阻力的本質,是理解誘導阻力的關鍵。

 

 對於有限長的機翼,因為機翼上下表面的壓力差(下高尚低),在機翼翼尖會形成一個“翼尖渦”。翼尖渦,會影響整個流場,造成下洗。來流的方向,相對地也就改變了。

氣動力F,是相對於“來流坐標系”的,這樣因為下洗,來流坐標系旋轉,原本升力的分量Fl,一部分就變成了阻力——這就是誘導阻力

因為空氣黏性,翼尖渦流的強度,靠近翼尖附近強度最大,越往機翼中心,下洗越弱,相應的誘導阻力越弱。

大展弦比機翼,整塊機翼,受到翼尖渦流的影響,比起小展弦比,受到的影響相對要輕。所以大展弦比的誘導阻力要小。

 

 誘導阻力,不僅跟展弦比有關,還跟機翼整體的形狀有關。低音速下(<0.3Ma),誘導阻力的估算公式是:

 

 

 λ就是飛機的展弦比,c是修正系數。

 

 飛行速度大於0.3Ma,亞音速,超音速,誘導阻力會減少,具體值要用3D CFD方法仔細計算。

誘導阻力,在總阻力中,占到50-70%。為了減少機翼阻力,在機翼強度……各方面允許的情況下,一般都會盡可能提高展弦比,采用梯形或者橢圓機翼(制作難度高)。(注:只有飛機是這樣,水下航行體基本摩擦阻力占70%-90%)

發布於 2017-03-28

印子斐

計算流體力學(CFD)流體力學 話題的優秀回答者

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既然是“科普”,極端例子就是展弦比趨於無限的情況,根據誘導阻力產生的原因可得誘導阻力等於零。

發布於 2017-03-27

苟勝老師

航空工程師的老師/樂隊鍵盤手/沒了 這條為了湊齊三條。。

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傳統的教材中,對於誘導阻力的解釋總是從翼尖渦開始,我也一直在課上這么講,但是最近寫東西的時候思考過一個問題。事實上,不考慮前面的原因時,這個問題應該是從下洗說起,下洗引發升力偏轉,偏轉后向后分量為誘導阻力。那么再從下洗往前看,是翼尖渦單獨引起了下洗嗎?不是,我們找一個翼型流場就會發現,二維流場繞過翼型后就會發生下洗。而安德森的Understanding Flight中講過,正是因為翼型給了空氣向下的力,空氣才有可能偏轉下洗(牛一),而這個力的反作用力就是升力。而二維流場中的翼型是不是就可以看做無限長的平直翼呢?這里不是也有下洗嗎?所以我認為也會有誘導阻力。

所以我現在也略有疑惑,請大家討論一下,我認為有兩種可能,一是教材中對於誘導阻力的定義不夠完善,不應是“升力誘導出的阻力”,而應該是翼尖渦誘導出的阻力。二是人們在編寫教材時由於之前升力定義的復雜化而忽略了產生升力而形成的下洗。事實上,這種下洗應該比翼尖渦引起的下洗更大。

關於大展弦比的問題,我想說這里的“誘導阻力”概念可能不准確,是否應該是誘導阻力系數,因為氣動力系數拋棄了面積的干擾,所以大展弦比中翼尖渦所帶來的誘導阻力平攤下來應該會更小。

不好意思,應該發提問的,但是看這里行家多,所以拿出來討論。

發布於 2018-02-09

Wayne Sun

喜歡畫畫的工科狗……

誘導阻力之所以稱為誘導阻力是因為它是由誘導速度產生的
誘導速度是機翼后方自由渦誘導產生的
自由渦究其原因是就是有流體可以從有限長機翼稍部繞過去產生的( 

印子斐

說了,無限長沒有誘導阻力,就是因為沒有流體翼稍 ,就沒有自由渦)
所以,當然展弦比越大,稍部效應對整體的影響越小了~

發布於 2017-03-27

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