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2.12升力和阻力
在均匀来流中的物体
或在静止的空气中平行移动的物体
受空气的作用力。
除了静的浮力外,就是由物体和空气相对运动形成的空气动力(aerodynamicforce)。
;流动的速度为,空气动力为。
先将分解为流动方向(或与物体运动相反的方向)和与之相垂直的方向的两个分力。前者叫阻力(drag),后者再如图所示分解成升力(lift)和侧力(sideforce)。
;升力用,阻力用,侧力用来标记。
升力和侧力的方向由所考虑物体决定。
一般地,与重力相反方向相近方向的力叫升力,与之相垂直的方向的力叫侧力。
;作用于物体上的升力和阻力一般用动压
和特征面积的积来除,进行无量纲化
:升力系数,:阻力系数;升力、阻力、侧力可以通过实验(如风洞实验)测得,也可以通过对作用于物体表面的压强和摩擦应力在全表面上的积分求得。;如图,升力与阻力所在的平面为平面,侧力与阻力所在的平面为平面,升力与侧力所在的平面为平面。即,,轴的正方向的分力分别为阻力,侧力和升力。
;物体表面一点P处的微小面积为,这点的静压为,摩擦应力为。
压强的作用方向垂直于物体表面。摩擦应力作用于与流动方向相近的物面切线方向。
力与均匀来流平行成份在物体全表面进行积分所得到的力
称为压差阻力(pressuredrag),或形状阻力(formdrag)。;同样地,摩擦应力与均匀来流平行方向的成分在物体全表面进行积分所得到的力
称为摩擦阻力(frictiondrag)。
物体的阻力为这两者之和。
;下面,考虑力垂直于均匀来流的成分
。
它与平面的夹角为时,对
在物体全表面进行积分所得到的力为升力
;摩擦力对升力的贡献为
比起压强带来的升力可以忽视
此外,为在平面的成分
的侧力。;2.12量纲分析与相似率
在力学、物理学中,有速度、加速度、力、压强、面积、密度、力矩、能量、比热等各种各样的量。
只需确定少数的基本量,就可将这些量用基本量的积、商来表??。;常用的基本量,是质量、长度、时间这三个。其量纲分别用符号,,来表示。其他量的量纲用这三个量纲来组合。
例如,速度是长度除以时间,所以速度的量纲为,或者是。同样,加速度的量纲是。再如,力=质量×加速度,其量纲为。;量纲理论最重要的应用是,对于某一现象诸量间的关系未知时,利用量纲的性质来推定其关系式。这种方法叫量纲分析(dimensionalanalysis)。;空气动力学、流体力学中作用于物体的力如何用流速、流体的密度、物体的形状、大小等来表示,十分重要。
试用量纲分析方法来求得。
;作用于物体的力与物体的特征长度,均匀来流速度,流体的密度,粘性系数,体积弹性率相关。
设为无量纲系数,为未知指数
;这个式子用量纲,,来表示,得到下列的量纲方程
使两边指数相等,有;对求解,得
代入这些指数,得
;最后的两个括号内的量分别为雷诺数和马赫数。
物体的特征长度与特征面积的关系为
。前式可写为。
;升力,阻力同样可写为
,与同样,是物体的形状,姿态,雷诺数、马赫数的函数。;得知,,给出,,可得,。
因此,用模型进行风洞实验,求得各系数,就可得作用于实物上的空气动力。
为此,需要求得与实物相同的系数。模型需与实物相似,雷诺数和马赫数需与实际相同。
但是,要使两者同时一致几乎是不可能的,根据情况,选择重要的一方。
;马赫数比1小得多时,可以忽视可压性的影响,只考虑雷诺数相同。
实物与模型的雷诺数和马赫数相等,即几何相似构成力学相似,称为相似率(lawofsimilarity)。;作业
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