机翼翼尖_我所理解的流体力学 | 闲话翼尖涡
这是《我所理解的流体力学》第2版封面上的图,显示的是飞机的翼尖涡产生的效果。
01
导读
本文主要讨论一下飞机的翼尖涡相关的流动现象。该篇流体力学科普文章,虽然是科普,但也涉及较为深入的流体力学知识,很多现象我也没有理解透彻,把这些粗浅的理解公布出来,希望起到抛砖引玉的效果。
02
什么是翼尖涡
飞机在飞行过程中,会从两侧的翼尖产生出两道旋涡,旋涡的强度取决于机翼的升力。大型飞机的重量大,翼尖涡很强,可延伸在飞机后方几公里远的地方。涡的中心压力低,当空气的湿度大时,水蒸气在这里凝结,就形成可以看见的翼尖涡。在远后方,发动机排出的水蒸气凝结后也被卷入到翼尖涡中,形成了长长的航迹云。
翼尖涡存在于所有具有升力并且在空气中前进的物体边缘,只不过是飞机的飞行高度上气温低,并且飞机的速度快,所以水汽更容易凝结,我们才经常能看到飞机的翼尖涡,而鸟类的翼尖或者赛车的翼尖上产生的翼尖涡我们则很少能看到。
03
翼尖涡是如何产生的
关于翼尖涡的形成,最好理解的是用空气的压力差来解释。机翼的下表面气流压力高于大气压,上表面气流压力低于大气压,在翼尖处,下表面的气流会绕过翼尖流向上表面。这个流动趋势和来流叠加,就形成了螺旋的流动,这就是翼尖涡。
另外,还可以用旋涡理论来解释翼尖涡。流体力学的旋涡理论中有一条结论,就是旋涡不能有自由端,应该或者终止于壁面,或者形成一个封闭的环。而机翼之所以产生升力,就是因为机翼上有一个附着的涡,这个涡在翼尖处向后延伸,和机翼的启动涡形成一个封闭的涡环。
04
翼尖涡会减小机翼的升力
翼尖涡会改变机翼表面的压力分布,使升力减小,阻力增加。从机翼表面压力分布的角度解释,在翼尖处,没有了机翼的阻隔,上下表面的压力应该是相等的,效果是翼尖处的升力为零。也可以理解为空气从下表面跑到上表面,对下表面的高压具有泄压的作用,而对上表面的低压具有增压的作用,从而减小了整个机翼的升力。从动量定理的角度看,升力的大小取决于机翼向下“排出”气流的质量和速度,而翼尖涡可以看作是机翼下表面的气流向上表面的泄漏产生的,也就是说有一部分空气没有被排向下方,而是跑到上边来了,因此升力减小了。
05
翼尖涡会增大机翼的阻力
一般把翼尖涡产生的阻力称为诱导阻力,这是狭义的定义。广义的诱导阻力定义是随升力一起产生的阻力,在没有翼尖涡的情况下也有随升力产生的阻力,不过比较小,所以一般说的都是狭义的诱导阻力。一般对诱导阻力的解释是翼尖涡使气流产生下洗效果,从而使机翼上的压差力向后偏斜,增加了向后的分量,这个向后的分量就是阻力。这个解释当然是对的,不过读者可能还有两个疑问,一个是:翼尖涡是如何造成气流下洗的?另一个是:如何从机翼表面压力分布来解释诱导阻力?
06
翼尖涡的消弱与利用
细长的机翼可以减少受翼尖涡影响区域的比例,所以追求低阻力的飞机都是大展弦比的,但是展弦比大有机动性不好和强度差等缺点。
通过减小翼尖处的升力来减小诱导阻力也是一种方法,比如把机翼做成椭圆形或梯形的,经典的例子是英国的喷火式战斗机和美国的P-51野马式战斗机。还可以让机翼扭转,减小翼尖处的迎角来减小翼尖处的升力。减小翼尖处的升力还有一个实际的原因是这样对机翼的强度有好处。
现代客机翼尖处的“小翼”其实也是变相地加长机翼和减小翼尖处的弦长。把小翼展平也一样可以减小阻力,不过机翼太长不利于停放和进出机库等。
翼尖涡的内侧产生的是下洗气流,外侧产生的则是上升气流,长途迁徙的鸟类早就已经学会了利用这种上升气流,排成人字形或斜的一字型飞行,后面的鸟就可以节省体力了。
《我所理解的流体力学》第2版的封面是我根据这张照片画的。因为之前在上课的时候有的学生把云中的涡对儿看成了心形,我就索性进行了艺术加工,把中间的下部加了尖,真正像一个心形了。
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