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第4章 超音速和跨音速机翼的气动特性综述
4.1 超音速薄翼的绕流和近似理论
4.1.1 超音速薄翼的绕流特点和流动图画
4.1.2 线化理论
4.1.3 薄翼型的超音速气动特性
4.2 无限翼展斜置翼的超音速气动特性
4.3 薄机翼超音速绕流的基本概念
4.3.1 前后马赫锥的概念
4.3.2 前缘后缘和侧缘
4.3.3 二维流区和三维流区
4.3.4 有限翼展薄翼的超音速绕流特性
4.4 翼型和机翼跨音速流动特性
4.4.1 跨音速流动的简单介绍
4.4.2 临界马赫数
4.4.3 翼型的跨音速绕流图画
4.4.4 翼型的气动特性随马赫数的变化 ;
;如图是超音速以小迎角绕双弧翼型的流动; 为减小波阻,超音速翼型厚度都比较薄,弯度很小甚至为零且飞行时迎角也很小。因此产生的激波强度也较弱,作为一级近似可忽略通过激波气流熵的增加,在无粘假设下可认为流场等熵有位,从而可用前述线化位流方程在给定线化边条下求解。;为解出通解,引入变量: ;上式对ξ积分得:;故上半平面流场小扰动速度位是:;沿 x 和 y 轴向的小扰动速度分量分别为:;设翼型上表面的斜率为 ,根据翼型绕流的线化边界条件为:
代入y向速度分布得:
将上式代入线化压强系数公式可得:;对下半平面的流动同理可得扰动速度位为:
而在下半平面由于扰动不能逆传故
同理可推得下半平面的压强系数为:;线化理论压强系数计算公式与实验的比较例子见下图,选用的厚翼型和-100迎角是偏离小扰动假设的比较极端的情况(双弧翼前缘半角11020’):;下翼面后半段实际压强系数的提高一方面是由于存在边界层,尾激波后高压会通过边界层的亚音速区向上游传播从而提高了压强;另一方面由于尾激波与边界层干扰使边界层增厚甚至分离,使实际膨胀角减小,形成λ形激波从而使压强增大、压强系数增大,线化理论或一级近似理论没有考虑上述情况因此显的“膨胀有余”。; 线化理论表明压强系数与翼面斜率成线性关系,因此在线化理论范围内可认为是翼型分解为如下三个部分产生的压强系数叠加而得:;因此上下翼面的压强系数写为:;平板部分:
由于上下表面斜率相同 ,但上表面为膨胀下表面为压缩流动,故:;弯度部分:
由于上下表面斜率相同,当 为正时,上表面为压缩,下表面为膨胀流动,当 为负时,上表面为膨胀,下表面为压缩流动,因此:;厚度部分:
当上表面斜率 为正时为压缩,为负时为膨胀下表面情况相反,当 为正时为膨胀,为负时为压缩流动,因此:;因此薄翼型上、下翼面任一点的压强系数可表为:;上式给出的翼型平板、弯度和厚度部分压强系数分布见下图,左边是平板翼型亚音速时的载荷对比:;亚音速平板:前缘载荷很大,原因是前缘从下表面绕上来很大流速的绕流;后缘载荷为零,原因是后缘要满足压强相等的库塔条件。
超音速平板:上下压强系数大小相等,载荷系数为常数,原因是超音速时上下表面流动互不影响。
超音速厚度问题:上游为压缩,下游为膨胀,不产生升力,只产生阻力。
超音速弯度问题:上表面上游为压缩,下游为膨胀,下表面上游为膨胀,下游为压缩,也不产生升力,只产生阻力,这一点与亚音速很不相同。;4.1.3 薄翼型线化理论的超音速气动特性;平板部分
由于压强沿弦向方向分布为常数,且由于上下表面均垂直于平板,故垂直于平板的法向力Nα为:;平板升力系数:;由于:;厚度部分
参见右图,由于上下表面对称,对应点处 dYu 与 dYl 相互抵消,所以:;2. 薄翼型波阻系数Cx
波阻系数定义为:
;弯度部分
参见右图,作用于微元面积dS上的力在来流方向的分量即波阻:;所以;厚度部分
参见右图,可见上下表面对波阻力贡献相同,因此上下翼面对应点处微元面积产生的波阻等于上翼面微元波阻的两倍:;再将厚度问题上表面压强系数代入波阻积分:;与升力无关而仅与弯度和厚度有关的波阻称为零升波阻(Cxb)0:;例:对称菱形翼型,厚度为c,弦长为b,用线化理论求升力系数和波阻系数。
解:
升力系数:;零升波阻系数:;4.1.3 薄翼型线化理论的超音速气动特性;3. 薄翼型对前缘的俯仰力矩系数mz
对翼型前缘的俯仰力矩系数定义为:
;弯度部分
图中微元面积dS距前缘距离为x,微元力对前缘力矩为:;注意到 ,对上式分步积分得:;厚度部分
参见右图,由于上下表面对称,对应点处 dYu 与 dYl 相互抵消,所以翼型厚度部分对前缘力矩的贡献为零。;设翼型的压力中心距前缘的相
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