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第十章 机翼和叶栅工作原理 本章将分别讨论机翼和叶栅最基本的工作原理，讨论机翼工作原理是为叶 栅理论奠定基础的。二者均为叶轮机械(汽轮机，泵与风机及燃气轮机等)流体动 力学的基础，同时也是力学理论在解决流体与被绕流物体间相互作用问题的一个 重要应用。 10-1 10-1 §1100--11 机翼的几何特性 机翼一词常用于航空工程，也可泛指相对于流体运动的各种升力装置。因此， 叶轮机械中的工作轮叶片(汽轮机叶片、轴流泵与风机叶片等)就是一个机翼。 工程上引用机翼主要是为了获取升力。由于在流体中运动的物体，必然会受 到粘性阻力的作用。因此对机翼提出的技术要求首先就是尽可能大的升力和尽量 小的阻力，这就要求机翼采用适当的几何形状。图10-1 是机翼的外形图。将机 翼顺着来流方向切开的剖面形状称为翼型，翼型的周线称为型线，翼型的形状直 接决定了翼(或叶片)的空气动力特性。通常翼型具有：圆滑的头部、尖瘦的尾巴、 拱曲的背(上弧)，至于腹(下弧)形状则有凹的、也有凸的，也有半凹半凸及平的。 表征机翼的几何特性基本参数如下(参照图10-2)： (1) 翼型中线 翼型型线内切圆心的连线称为翼型中线，或称翼型骨线。 (2) 翼弦b 翼型中线与型线的两个交点分别称为前缘点和后缘点，前缘点 与后缘点的边线长度b称为翼弦或弦长。 (3) 翼型厚度d 翼型型线内切圆的直径d称为翼型厚度，最大厚度d 与 max 翼弦之比d /b称为最大相对厚度。 max (4) 翼型弯度f 翼型中线至翼弦的距离f称为翼型弯度，最大弯度f 与翼 max 弦之比f /b称为最大相对弯度。若相对弯度等于零，则中线与翼弦重合，称为 max 对称翼型。 (5) 翼展h 机翼(或叶片)在垂直于流动方向的最大长度h称为翼展(或叶片 高度)。翼展与翼弦之比h/b称为展弦比。 根据展弦比的大小，可把机翼分为两种：一为无限翼展机翼(大展弦比)，一 为有限翼展机翼，如图10-1 所示。实际机翼翼展都是有限的，且翼弦b沿翼展 是变化的。 10-2 10-2 §1100--22 翼型升力原理 翼型是具有一定的空气动力特性的几何型线。为研究问题方便，总是假定所 研究的是无限翼展且翼弦和翼型不变化，即流体绕流机翼的各个剖面流动都相 同，是一个二维流动。此外，也排除机翼本身以外的任何固体壁面的影响，只考 虑机翼在静止流体中运动，或者说均匀流绕流翼型，这样的翼型通常称为孤立翼 型。弧立翼型作为一种抽象的力学模型，完全是为了分析方便和简化计算提出的。 在第六章利用平面势流的叠加理论，讨论了有环量的圆柱绕流问题，对于均 匀流绕翼型的流动比圆柱绕流要复杂得多。对于不同的环量值和通常采用的带有 尖锐后缘的翼型，理论上(不可压理想流体)可以出现三种不同的绕流图案，如图 10-3 所示。(a)和(c)两种情形后缘附近的流体将从翼型表面的一侧绕过尖端流到 另一侧去，出现了大于π角的尖端绕流，这将在翼型尖锐后缘处形成无穷大的速 度和无穷大的负压，这在物理上是不可能的。只有在(b)情形中，流体从翼型的 上下两表面平滑的地流过后缘，且后缘点的速度是有限的。大量的实验观察发现， 只有在翼型绕流边界层尚未严重分离的条件下，(严重分离通常在大冲角时发生， 有关冲角的规定见图10-4)，翼型上下两股流体总是在尖锐后缘上汇合而平滑流 去。即(b)图案是实际存在的。据此，1909 年茹柯夫斯基首先提出了均匀流绕翼 型流动时确定的环量的补充条件，即在后缘点速度应为限值的茹柯夫斯基假定。 对于不可压理想流体绕流茹柯夫斯基翼型(理论翼型)，理论分析解得 Γ=πbV sin(α−α )