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无人机重要参数之升力(lì)

 

升力(lì)和阻力是无(wú)人机的两个很(hěn)重要的参(cān)数(shù),是在(zài)与空气的相对运动(dòng)中(相对气流(liú))产生的。升力(lì)来源(yuán)于机翼上、下表(biǎo)面的气压差,此气压差(chà)是由气流的速度导致的。但机(jī)翼上、下表面气(qì)流的(de)速度差的成因解释较为复(fù)杂,下面结合空气动力特性与基本(běn)规律(lǜ)(连续性定理、伯(bó)努利(lì)原(yuán)理(lǐ))介绍升力的产(chǎn)生。

(1)连续性定理。当流体连续不断而稳定地流过(guò)一个粗细不(bú)等(děng)的流管时,在管(guǎn)道粗的地(dì)方流(liú)速比较慢,在管(guǎn)道细(xì)的地方流速比较快(kuài)。这是由于管(guǎn)中任何一部分的流体(tǐ)既不能(néng)中断也不能堆积,因此在同(tóng)一时间,流进任一截面的(de)流体质量和(hé)从另(lìng)一截(jié)面流出的流体(tǐ)质量应该相等。这就是(shì)质量守(shǒu)恒定(dìng)律。

在单位时间内(nèi),流过任一截面的流(liú)体体积等于(yú)流体(tǐ)流过该截面的速度乘以该(gāi)截面的面积,而体(tǐ)积与流(liú)体密(mì)度相乘,即(jí)为单位时间内流(liú)过该(gāi)截面的流体质量。即:

m=pvA

式中 m——单位时间(jiān)内流过任一截面的流体(tǐ)质量

P——流体密度,kg/m³

V——流体(tǐ)速度,m/s

A——所取截面面(miàn)积,m²。

p1v1A1=p2v2A2=常数

这就是质量方(fāng)程或(huò)连续方程(chéng)。它说明通(tōng)过流管各截面的质量流量必须相等。对于不可压缩流体,p1=p2=常数,上式变为

v1A1=v2A2

可(kě)知,对于不可(kě)压缩流体来说,通(tōng)过(guò)流管各横截面的(de)体积(jī)流量必须(xū)相等。上(shàng)式表明,流体流速的快慢与管(guǎn)道(dào)截面的大小(xiǎo)成(chéng)反比,这就是(shì)“连续(xù)性定理”。即(jí)流管横(héng)截面(miàn)变小,平均流(liú)速将增大;反之,流(liú)管(guǎn)横截面变大,平均(jun1)流(liú)速将变小。日常所见的(de)山(shān)谷里的风通常比开阔平原的风大;在河床浅而窄的地段,河水流得比较快,在河(hé)床深(shēn)而宽的地段,河水流得比较慢,就是遵循了连续性定理(lǐ)。

(2)伯努利原理。伯努利原(yuán)理是(shì)研究气流特性和空气(qì)动力之所以产生和变化的基本原理之一。1738年(nián),瑞士物(wù)理学(xué)家(jiā)丹尼尔·伯(bó)努利阐明了流体在流动中的压力与速度之间的关(guān)系(xì),后来科学界称(chēng)之为伯努利原理。即流体速度大的地方压力(lì)小,流速小的(de)地方压力大,这就是(shì)流速与压力之间的关(guān)系,也(yě)就是伯努利原理的基本定义。例如,在两张纸片中间吹气,两纸不(bú)是分开,而是相互(hù)靠拢。

伯努利原(yuán)理是能量守恒定律在流体(tǐ)力(lì)学(空气流动过程)中的(de)推广(guǎng)应用。在低速流动空气中,参与转换的能(néng)量有(yǒu)两种:动能和压力(lì)能。气流(liú)一流动(dòng),就有动能产生,流(liú)动速度越大,动能(néng)越大。一定质量的空(kōng)气,具有一定(dìng)的压(yā)力(lì)(即静压),静压越大,压力能越大。根据(jù)能(néng)量守恒定律,气流(liú)稳定流过一条流管时,如果没有外(wài)界能量(liàng)的(de)加入,也就没有(yǒu)能量的(de)损失,气流流动过(guò)程中的总能量始终是(shì)不变的。即:动能+压力能=常量。

但(dàn)是流(liú)体动(dòng)能与压(yā)力(lì)能是可以互相转(zhuǎn)换的,当流速变(biàn)小时,动能减小,压力能却增大(dà),表(biǎo)现为(wéi)压强增大。流速增大时,动能增加啊,压力能就要减(jiǎn)小,表现为压强减(jiǎn)小。这(zhè)就是流速减小,压强升高,流速增大,压强降低的根本原因。

应当(dāng)注意,以上定(dìng)理在下述条件(jiàn)下才成立。

1)气流(liú)是连续(xù)的、稳定的。

2)流动中的空气(qì)与外界没有能量交换。

3)气流中没有摩擦,或摩(mó)擦(cā)很小,可以忽略不(bú)计。

4)空(kōng)气的密度没(méi)有变化(huà),或变化(huà)很小,可认(rèn)为不变。

(3)升力(lì)的产生。综合连续性(xìng)定理和伯努利原理,可(kě)总(zǒng)结出如下结论:流(liú)管变细的地方,流速大,压力小;反之,流管变粗的地方,流速小,压力大。根据这一结论(lùn),就可初步说(shuō)明机翼上(shàng)产(chǎn)生升力的原因了。

从空(kōng)气(qì)动力角度(dù)看,飞机(jī)的几(jǐ)何(hé)外形有机翼、机身和尾翼[分水平尾(wěi)翼(简称(chēng)平尾)和垂直尾翼(yì)(简称立(lì)尾)]等只(zhī)要部件共同(tóng)构成。飞(fēi)机的升力绝(jué)大(dà)部分是由(yóu)机翼产(chǎn)生,尾翼(yì)通(tōng)常是产生负升(shēng)力,飞(fēi)机其他部分产生的升(shēng)力很小,一般不(bú)考(kǎo)虑。

空气(qì)流到机翼前缘(yuán),分成(chéng)上、下两股气流,分别沿机翼上、下表面流过,在(zài)机翼后缘重新汇合向后流去。机翼上表面比较凸出,流管较细,说明(míng)流速(sù)加(jiā)快,压力降(jiàng)低。而机翼下表面(miàn),气流受阻挡作用,流管变粗(cū),流(liú)速减慢,压力(lì)增大。这里就引(yǐn)用到了(le)上述两个(gè)定(dìng)理。于是机翼上(shàng)、下表面(miàn)出现了压力差,垂直于(yú)相(xiàng)对气流方向(xiàng)的压力差的总和就是(shì)机翼的升力。这样,重于空(kōng)气的(de)飞(fēi)机借助机翼(yì)上获得的(de)升力克服自身因(yīn)地(dì)球引(yǐn)力形成的重力,从而(ér)翱翔在蓝天上了。

机(jī)翼(yì)升力的产(chǎn)生主要(yào)靠上表面吸力(lì)的作用,而不是靠下(xià)表面正压力的作用(yòng),一般(bān)机翼上表面形成(chéng)的(de)吸力(lì)占总升力的60%~80%,下表面(miàn)的正压形(xíng)成(chéng)的(de)升力只占总升(shēng)力的(de)20%~40% 

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