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无人机(jī)重要参数(shù)之升力(lì)

 

升力(lì)和阻力是(shì)无(wú)人(rén)机的(de)两个很重(chóng)要的(de)参数,是在与空气的相对(duì)运(yùn)动(dòng)中(相(xiàng)对气(qì)流)产生的。升(shēng)力来(lái)源于机翼上(shàng)、下(xià)表面的气压差(chà),此气压差是由气(qì)流的速度(dù)导致的。但机翼(yì)上(shàng)、下(xià)表面气流(liú)的速度差的成因解释较为(wéi)复杂(zá),下面结合(hé)空气动力特性与(yǔ)基(jī)本规律(连续性定理、伯(bó)努利原理)介绍升力的产生。

(1)连续性定理。当流体(tǐ)连(lián)续不断而(ér)稳定地(dì)流过一(yī)个粗细不等的流(liú)管时,在管道(dào)粗的地方流速比较(jiào)慢,在管道细(xì)的地方流速比较(jiào)快。这是由(yóu)于(yú)管中任何一部分的流体既不能中断也不能堆积,因(yīn)此在同一时间,流进(jìn)任一截面(miàn)的流体(tǐ)质量和从另一截面流出的流体质量应该相等。这就是质(zhì)量(liàng)守恒定律。

在单位时间内,流过(guò)任一截面的流(liú)体体积等于流体流过(guò)该截(jié)面(miàn)的速(sù)度乘以(yǐ)该截面的面积,而体积(jī)与流体密度(dù)相乘,即为单位时间内流过该截面的(de)流体质量。即:

m=pvA

式中 m——单位时(shí)间(jiān)内流(liú)过任一截面的流体质量

P——流体密度,kg/m³

V——流体速度,m/s

A——所取(qǔ)截(jié)面面积,m²。

p1v1A1=p2v2A2=常数(shù)

这就是(shì)质量方程或连续(xù)方程。它(tā)说明通过流管各截面的质量流(liú)量必(bì)须相(xiàng)等。对于不可压缩流体,p1=p2=常数(shù),上式变为

v1A1=v2A2

可知,对于(yú)不可压缩流体(tǐ)来说,通(tōng)过流管各横(héng)截(jié)面的体积流(liú)量必(bì)须相(xiàng)等(děng)。上(shàng)式表明(míng),流体(tǐ)流速(sù)的(de)快(kuài)慢与(yǔ)管道截面(miàn)的大(dà)小(xiǎo)成(chéng)反比,这就(jiù)是(shì)“连(lián)续性定理”。即流管横截面变小,平均(jun1)流速将增大(dà);反之,流管横截面变大,平均流速将变(biàn)小。日常所(suǒ)见的山谷里(lǐ)的(de)风通常比开阔平原的风(fēng)大;在河床浅而窄的(de)地段,河(hé)水流得比较快,在(zài)河床深而宽的地段,河水流(liú)得(dé)比较慢,就是遵循了连续性定理(lǐ)。

(2)伯努利原理。伯努利原理是(shì)研(yán)究气流特性和空气动力(lì)之所以产生和变化的(de)基本原理之一。1738年,瑞士(shì)物理学家丹尼尔·伯努利阐明了流体在流动中的压(yā)力与速度之间的关(guān)系(xì),后来科学界称之为伯努(nǔ)利原理。即流体速度大的(de)地方压(yā)力小,流速(sù)小的地方压力(lì)大,这就是(shì)流速与压(yā)力之间(jiān)的关系,也就(jiù)是伯努利(lì)原理的基本定义。例如,在(zài)两张(zhāng)纸片(piàn)中间(jiān)吹气,两纸(zhǐ)不是分(fèn)开,而是相互靠拢。

伯努(nǔ)利原理是(shì)能量守恒定(dìng)律在流(liú)体(tǐ)力学(空气流(liú)动(dòng)过程)中的推广应用。在低速流动空气中,参与转(zhuǎn)换的能量有两种:动(dòng)能和(hé)压(yā)力能。气流一(yī)流动(dòng),就有动能产生,流动速度越(yuè)大,动能(néng)越大。一定质量的空气,具有一定的(de)压力(即静压),静压越大,压力能越大。根(gēn)据能量守恒定(dìng)律,气流稳定流过(guò)一条流管时,如果(guǒ)没有外界能量(liàng)的加入,也就没有能(néng)量的损失,气流(liú)流动过程中的总能量始(shǐ)终是不(bú)变的。即:动能+压力(lì)能(néng)=常量。

但(dàn)是流体动能与压力能是(shì)可以互相转(zhuǎn)换的,当流速(sù)变小时,动能减小,压力能却增(zēng)大,表现为压强增大。流速增大时,动能增加啊,压力能就要减(jiǎn)小,表现为压强减小(xiǎo)。这就是(shì)流速减小(xiǎo),压强升高,流速(sù)增大,压强降(jiàng)低(dī)的(de)根本原(yuán)因。

应当(dāng)注意,以(yǐ)上定(dìng)理在(zài)下述条件下(xià)才成立。

1)气流是(shì)连续的、稳定的。

2)流动中的(de)空(kōng)气与(yǔ)外界没有能量交(jiāo)换(huàn)。

3)气(qì)流(liú)中(zhōng)没有摩擦(cā),或摩擦很小,可以忽略不计。

4)空气的密(mì)度没有(yǒu)变化,或变化很小(xiǎo),可(kě)认为(wéi)不变。

(3)升力的产(chǎn)生。综合连续性(xìng)定理和伯努利原理,可总结出如下(xià)结论:流管变细的(de)地方,流速大,压力小(xiǎo);反之,流管变粗的地方,流速小,压(yā)力大。根(gēn)据这一结论,就可初步(bù)说明机翼(yì)上(shàng)产(chǎn)生升力的原因(yīn)了(le)。

从空气动力(lì)角(jiǎo)度(dù)看(kàn),飞机的几(jǐ)何(hé)外形有机翼、机身和尾翼[分水平尾翼(简称平尾)和(hé)垂直尾翼(yì)(简称(chēng)立尾)]等只要部件共同构(gòu)成(chéng)。飞机的升力绝大部分是(shì)由机翼产生,尾(wěi)翼通常是产生负升力,飞机其他部分产(chǎn)生(shēng)的升力很(hěn)小,一般不考虑(lǜ)。

空气流到机(jī)翼前缘,分成(chéng)上、下(xià)两股气流,分别沿机翼上、下表面流过,在机翼后缘重新汇(huì)合向后(hòu)流去。机翼上表面比较凸出,流管较细,说明流速加快,压力降低。而机(jī)翼下表(biǎo)面,气流受阻挡作用(yòng),流管变(biàn)粗,流速减慢,压力增大。这里就引用到了上(shàng)述(shù)两个定理(lǐ)。于是机翼上、下(xià)表面出现了压力差,垂直于相对气流方向的压力差的总和就是机翼的升力。这样,重于空气的飞机借助机翼上(shàng)获得的(de)升力克服自身因地球引(yǐn)力(lì)形成的(de)重力,从而翱翔在蓝(lán)天上了。

机(jī)翼升力的产(chǎn)生主要靠上表面吸力(lì)的作用,而不是(shì)靠下表(biǎo)面正(zhèng)压(yā)力的作用,一般机翼上表面形成的吸力占(zhàn)总升力的60%~80%,下表面的正压形成(chéng)的升力只占总升力的20%~40% 

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