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2.1.4 气流特性

1.流体的基本概念

流体是与固体相对的一种物体形态,有液体和气体两种。流体具有流动性,且没有形状。流体由大量的分子构成,相互间做不规则运动。在空气动力学中,一般只研究气体的流动特性。为了方便在学习空气动力学中对一些基本名词的理解,下面将对这些名词进行解释。

(1)流体质点。又称“流体微团”,指一个体积很小但仍然大得足以满足连续介质假定的流体元。流体质点具有不随所取流体元的大小而变化的宏观流体属性,如平均密度、平均压强、平均速度等。

(2)连续介质。空气动力学中,连续介质是指将大量流体质点在空间内无间隙分布的一种假设,且质点具有宏观物理量。

(3)流线。流线是用来描绘流体微团流动状态的曲线,如图2-6所示。

(4)流场。将这几类连续介质模型内描述的流体叫作流场,或流体流动的全部范围叫作流场。流体的压强、速度、温度、密度、浓度等属性都可以看作时间和空间的连续函数,可以进行定量描述。

(5)流管。在流场中取一条不是流线的封闭曲线,通过曲线上各点的流线形成的管状曲面称为流管,如图2-7所示。

图2-6 流线

图2-7 流管

(6)流体的黏性。流体内部各流体微团之间发生相对运动时,流体内部产生的摩擦力(即黏性力)的性质,如图2-8所示。

图2-8 流体的黏性

(7)理想流体。理想流体指的是物理学中一种设想的没有黏性的流体,在流动时各层之间没有相互作用的内摩擦力,是没有黏性且不可压缩的流体,这种流体的密度在流动中几乎没有任何变化。

(8)定常流动。流体中任何位置点的速度、压力、密度等物理参数,都不随时间的变化而变化,这种流动状态称为“定常流动”,或叫“恒定流动”。与之相反,只要其中任意物理量随时间的变化而发生变化,就称为“非定常流动”。

2.相对运动原理

无人机是重于空气的航空器,在飞行时必须产生与空气的相对速度才能产生空气动力,从而克服无人机的自身重力在大气中飞行。空气动力是无人机能在天空中飞行的必要条件。

假设空气是静止不动的,空气中有一静止固定物,一架客机在空气中做匀速直线运动。此时一观察者从飞机外某一固定点来观察,会看到空气与固定物不动,飞机在做匀速直线运动;当另一观察者坐在这架飞机上时,由于这名观察者与飞机是相对静止的,这名观察者观察到的是空气与固定物都在做匀速直线运动。

由此可见,无论是空气静止,飞机相对于空气运动,还是飞机静止,空气相对于飞机运动,都会产生空气动力。这就是“相对运动原理”。当飞机以一定速度穿过静止的空气和空气以相同速度流过静止的飞机时,其产生的空气动力是相等的。

风洞试验就是以运动的相对性原理作为理论依据创造使用的。风洞试验是将飞行器安装在一个可以制造空气流动的试验室中,使试验人员能实时观察飞行器在试验过程中的各种状态及试验参数,是一种相对安全的飞行器产生空气动力特性的试验方式。根据相对运动原理,飞机在静止空气中飞行所受到的空气动力,与飞机静止不动、空气以同样的速度反方向吹来,两者的作用是一样的。试验过程中,一般将飞行器制作成外形一样、等比例缩小的模型进行试验,以降低试验成本。图2-9所示为风洞试验。

图2-9 风洞试验

3.稳定流动

若流动系统中各物理量的大小仅随位置变化,不随时间变化,则称为稳定流动。若流动系统中各物理量的大小不仅随位置变化,而且随时间变化,则称为不稳定流动。 5PQzZaBRiCBs07GsXrA7DGh7KX7bFvBcrxPpseQ+0EZPTkdXSKaPvdevnV+7UB8m

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