附壁效应 飞机升力

发布者:admin 发布时间:2019-10-27 08:32 浏览次数:

  附壁效应 附壁效应 附壁效应也称康达效应(Coanda Effect)或柯恩达效应。这种作用是以罗马发明 家亨利·康达为名。当流体(水流或气流)有离开本来的流动方向,改为随着凸 出的物体流动的倾向,流体与它流过的物体表面之间存在面摩擦,这时流体的流 速会减慢。只要物体表面的曲率不是太大,依据流体力学中的伯努利原理,流速 的减缓会导致流体被吸附在物体表面上流动。 亨利·康达发明的一架飞机曾经 因这种效应堕毁,之后他便致力这方面的研究。 目录 实验演示 在空气动力学中的应用 用附壁效应解释升力 1. 柏努利定律(Bernoullis Principle) 2. 错误概念 3. 实际计算 展开 实验演示 在空气动力学中的应用 用附壁效应解释升力 1. 柏努利定律(Bernoullis Principle) 2. 错误概念 3. 实际计算 实验演示 打开水龙头,放出小小的水流。把 汤匙的背放在流动的旁边。水流会 被吠引,流到汤匙的背上。这是附壁作用叠文丘里效应 (Venturi Effect) 作用的结果。文丘里效应令汤匙 水流之间的压力降低,把水流引向汤匙之 上。当水流附在汤匙上以后,附壁 用令水流一直在汤匙上的凸出表面流 。 在空气动力学中的应用 附壁作用是大部分飞机机翼的主要运作原理。附壁作用的突然消失是 飞机失速的主要原因。 部分飞机特别使用引擎吹出的气流来增加附壁作 用, 用以提升升力。 美国 波音 的 YC-14 及前 苏联 的 安-72 都是把 喷 射 发动机装在机翼上方的前面,配合襟 ,吹出的气流可以提高低速时机 翼的堇力。 波音 的 C-17 运输机 亦有透过附壁作用增加升力,但所产砟 的升力较少。 直升机的“无尾螺旋”(NOTAR) 技术,亦是透过吹出空气在 机尾引起頄壁作用,造成推力平衡旋翼的作用力 用附壁效应解释升力 推进力(Thrust)是由飞机引擎产生的推进力;阻力(Drag)是指空气和 飞机表面的相互作用而产生向后的力,简单地说,阻力主要是指空气的摩 擦力,在正常飞行的情况下,小部份来自升力的水平分量;重力(Weight) 是作用在飞机上的地心吸力;升力(Lift)是由飞机和空气的相对运动所产 生偏向上方的力,在本文中,我们简单地假设它绝对垂直于水平。除这四 种力外,还有当飞机需要改变方向时由机翼升降舵和尾翼方向舵所产生转 向的力,和相对比较小的空气浮力。 学生一般会容易明白为何会有推进力、阻力和重力,但对于如何产生 升力往往感到疑惑。很多高中物理课本会以柏努利定律(Bernoulli’s Principle)来说明升力产生的原因,但是部份课文内容并不绝对正确,例 如 Nolan (1993)、Culver (1993)、Griffin (2001) 和 Dobson & Grace (2002), 这些会在 2.2 和 2.6 两部份里讨论。 (Weltner, 1990a; Raskin, 1994; Waltham, 1998; Eastlake, 2002)用了不同的方法来指出和纠正这些错误, 当中有用流体力学来运算(Waltham, 1998),亦有以电脑模拟运算结果来说 明翼型(或称“空气动力面”,Airfoil)上下的压强差与飞行角度和速度的 关系(NASA: FoilSim II)。但对于中学生来说,这些方法会比较艰深和抽 象,以下我们会用现像论的方法来处理这些问题,当中会介绍一些简单的 器材来说明产生升力的原因。 柏努利定律(Bernoullis Principle) 在不可压缩和无黏滞性的流体中, 沿着某一流线 (streamline) (Duncan, 1992) P + ρ g h +ρ v2 / 2 = 恒量 (1) 当中 P 是流体静态压强,ρ 是流体密度,g 是重力,h 是高度,v 是 流体速率, ρ v2/2 是流体动态压强。 假设以上条件适用于空气。当飞机飞行时,机翼穿越空气;经过机翼 上下的气流的压强和速率会有差别,经过上面的气流压强较小,速率较快, 此外 ρ g h 的差别很小,我们可以将柏努利定律重写可成: /2 (2) Δ P = (vU2 – vL2 ) ρ 当中 vU 是经过机翼上面的气流的速率,vL 是经过机翼下面的气流的 速率,Δ P 是机翼上下的压强差。作用于机翼不同方向的压强,最后合成 一个向上的力,这就是升力了。机翼在空气中划过的速率愈快,或是机翼 的面积愈大时,所产生的升力就越大,而翼型的设计就是使流经上下的气 流可产生更大的压强差别。 错误概念 高中物理课本大都会用翼型来演示柏努利定律的应用,但是部份课文 内容把上下气流速率的差别,说成是因为机翼上面的长度比下面的要长, 上下气流为了要同时在机翼后面会合, 上面气流的速率会较快 (Nolan, 1993; Dobson & Grace, 2002)。这种解释的出现很可能和翼型的形状有关,部 份课文甚至指翼型导致气流速率的差别就是产生升力的的原因,它们忽略 了平直的机翼也能导致气流速率出现差别。这种说法亦不能解释一些飞机 为何能倒飞,而纸飞机更是和翼型扯不上任何关系。 实际计算 以下我们会以简单的计算来证明“同时到达理论”的错误之处,然后 在下一部份用一些简单的实验来说明产生升力的主要原因。 以波音 747-400ER 为例: 最大载重,W ≈ 400,000 kg 主翼面积,A ≈ 525 m2 巡航速率(于 10700 米高空),v ≈ 910 km h-1 (约等于 253 m s-1) 假设波音 747-400ER 的机翼底部是平的,下面经过的气流相对速率会 和巡航速率一样。 VL = v ≈ 253 ms –1 空气密度(于 10700 米高空)= 0.38 kg/m3 用算式(2)来计算,得出 vU = 323 m s-1。如果“同时到达理论”是 正确的话,气流经过机翼上下表面的速率和机翼上下表面的长度成正比。 机翼顶部的长度:机翼底部的长度 = 323:253 = 1.28:1 很明显,机翼不可能有这样的长度比例。在以上计算里作了数项假设, 当中最不能成立的就是“同时到达”这说法。风洞的实验结果或电脑的模 拟运算都显示:机翼顶部的气流要比底部的气流快很多到达机翼后沿,而 不是同时到达(Waltham, 1998; Eastlake, 2002)。此外,以机翼顶部的长 度和底部长度计算气流速率的差别,会发现单靠这些因素根本不能产生足 够升力令飞机升空(Raskin, 1994;Anderson & Eberhardt, 2001)。


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