空氣動力學(xué)的

★★★空氣動力學(xué)的“升力原理”轉(zhuǎn)自/bbs/TopicOther.asp?t=5&boardid=26&id=17726--作者：廣州全力--發(fā)布時間：2006-5-212:29:00--★★★空氣動力學(xué)的“升力原理”★★★空氣動力學(xué)的“升力原理”空氣動力學(xué)的“升力原理”流體力學(xué)中有兩個最重要的名詞，一個是“渦流”，一個是“誘導(dǎo)”，代表了流體的重要力學(xué)特性?！皽u流”有很多種。象大自然中的龍卷風(fēng)、臺風(fēng)、昆蟲翅渦流、水漩渦等圓形渦流，流體的運動軌跡是沿圓形閉合的，其最內(nèi)圈的旋轉(zhuǎn)速度最大；以及象飛機的有凸起上表面的機翼沖向前方的空氣或用一股氣流在凸起的表面上吹氣（附壁射流“科安達效應(yīng)”coandaeffect）形成的面狀渦流（附著渦）等一小弧段渦流，流體的運動軌跡是沿一個凸起表面的一個有限的弧段，其最下層的流動速度最大。但總的來說，這些“渦流”都有共同的特性，即都沿弧線運動，都有“離心力”，并且由于流體的粘性和外部的大氣壓力作用下，渦流可以對周圍空氣“誘導(dǎo)”形成一個“剪切流層”或“壓力梯度層”，因為渦流把“動能”向外層的流體以剪切作用的方式不斷傳遞，使周圍空氣圍繞其形成一個剪切流層，這個剪切流層內(nèi)流體的速度是以梯度變化的，即由內(nèi)向外逐漸減小，即動能是由內(nèi)向外傳遞的，這個剪切流層的流體也是以弧線運動的，也有離心力，而所有這些渦流和其剪切流共同的離心力對抗了外部的大氣壓力，從而使飛機機翼得到“升力”，所以渦流和其剪切流內(nèi)部的氣壓是一個低壓（低于外部大氣壓），也有從外到內(nèi)的氣壓由高到低的梯度變化的過程。雖然以直線運動的流體對周圍空氣也因為有粘性而有“誘導(dǎo)作用”，但很明顯，“渦流”因為沿弧線運動而有離心力和向外擴散的趨勢，則對周圍空氣有更強的“誘導(dǎo)能力”。大氣層中的一個表面體（不管其是否向外凸起），如果其上部流過的一個“渦流”（不管是機翼上的面狀渦流或是龍卷風(fēng)一樣的圓形柱狀渦流），只要在這個表面的邊緣和下部造成了“下洗流”，即方向是向下的流體，那么才會有升力，這個升力就是空氣動力學(xué)中的升力，是一種氣動升力。如果這個“下洗流”在質(zhì)量和速率在垂直軸y向上的分量等于原先的“渦流”，即其沒有“誘導(dǎo)”周圍空氣進來，那么這個升力的大小只相等于把原先的渦流當(dāng)成噴氣發(fā)動機的直接向下的噴氣，升力是有，但絲毫沒有增大。如果這個“下洗流”“誘導(dǎo)”了周圍空氣進來，質(zhì)量和速率在垂直軸y向上的分量不等于原先的渦流，總質(zhì)量是增大了，而平均速率肯定是減小了，那么從總的“動量”來計算其空氣動力學(xué)的升力是增大了，因為這里假設(shè)“總能量”（這里指動能）不變（不計微小的損耗）。所以一個容器中或表面上的流動的流體，不管其速度多么大，只要其不能在邊緣和下部形成“下洗流”，那么其不可能得到空氣動力學(xué)的升力！從另一個角度看，即一個物體必須與外界流體之間有能量的交換，才會有升力產(chǎn)生，如果是因為誘導(dǎo)了周圍空氣使得升力增加而導(dǎo)致的能量損失，通常叫“誘導(dǎo)損耗”。——請看一下飛機機翼或直升機旋翼或螺旋槳或風(fēng)扇葉片的類似的升力示意圖:可以看到，由前方一股有一定質(zhì)量和速度的來流或吹氣沖向機翼（附壁射流“科安達效應(yīng)”coandaeffect），使機翼表面形成一個“渦流”，渦流自身有一個速度，那么在一個凸起的表面上流過，會有一個“離心力”，有向外擴散的趨勢，但又因此把凸起的表面“抽真空”，那么在上部大氣壓力的作用下，此渦流不但不能以直線散開，反而是緊緊貼在這個凸起的表面。那么這個“渦流”的動量一邊貼著凸起的表面行走一邊不斷地改變方向。最后形成機翼尾部的“下洗流”。如果這個“渦流”在流動到機翼尾部的過程中沒有“誘導(dǎo)”周圍的空氣進來，那么“下洗流”的總質(zhì)量就與原來的前方來流或吹氣相同，速率也基本不變（假設(shè)表面理想光滑）。但如果“渦流”“誘導(dǎo)”了周圍的空氣進來，形成一個總質(zhì)量比原先的前方來流或吹氣的質(zhì)量更大的“下洗流”，那么“下洗流”的平均速率當(dāng)然變小了，如果總的能量（這里指動能）守恒，那么“下洗流”的動量當(dāng)然大于原先的前方來流或吹氣的動量了?！案奖谏淞骺瓢策_效應(yīng)coandaeffect”是用一股氣流吹一個凸起的上表面，雖然這與讓一個機翼沖向前方的空氣所產(chǎn)生升力的方式很相似，即都在凸起的上表面自然生成一個面狀的渦流，渦流的離心力和流體的粘性及周圍大氣的壓力，就讓渦流誘導(dǎo)更多的周圍空氣形成了一股上表面的剪切流，并最終成為流向下方的下洗流，因為渦流的離心力在彎曲的表面上自然會有一種“抽真空效應(yīng)”，即產(chǎn)生了上下表面的氣壓的壓力差，就是“升力”，這兩種升力或增升方式實質(zhì)上是一樣的，都是用凸起表面上的“面狀渦流”，即航空機翼學(xué)上的所謂“附著渦”，都是空氣動力學(xué)中的同一種最主要的升力方式?！灰幸稽c物理直覺的人也會很容易明白，“附壁射流科安達效應(yīng)coandaeffect”對周圍空氣的誘導(dǎo)比率當(dāng)然要小于機翼沖向前方空氣的方式，所以后者的效率都要比前者高。昆蟲翅渦流是昆蟲翅膀上方的兩個旋轉(zhuǎn)的空氣小漩渦，有點象兩個對稱的小龍卷風(fēng)，為昆蟲提供升力，是由于這個小龍卷風(fēng)從上方吸入空氣，經(jīng)過“誘導(dǎo)作用”傳遞給其動能后向外向下旋轉(zhuǎn)排開成為“下洗流”，并可以被翅膀向中間擠壓后融合成高壓的射流，得到前飛的推力或更大的升力。其相對來說也要比“附壁射流科安達效應(yīng)coandaeffect”的效率要高，因為如果把昆蟲的翅膀改造成一個光滑的大彎度飛機機翼，再用昆蟲翅渦流的初始?xì)饬鱽泶?，卻不能讓昆蟲飛起來，即不能誘導(dǎo)出同樣大質(zhì)量的下洗流和升力來。而事實上昆蟲對渦流升力的應(yīng)用在各方面都高明于我們?nèi)祟惖娘w機機翼。從以上分析可看出，空氣動力學(xué)中的“升力”的產(chǎn)生其基本原理都是一樣的，總言之，都是由一個“渦流誘導(dǎo)”更大量的空氣向下走，即以少量的高速“渦流”流體帶動更多周圍流體以更低的流速流向下方，形成所謂的“下洗流”，以少而快流體轉(zhuǎn)化成多而慢的流體的“動量氣實際上都是將空氣向下甩，得到反作用力，也就是升力，只是有一個所謂的“誘導(dǎo)比”（渦流誘導(dǎo)周圍空氣的比率）罷了。比方說，一個噴氣發(fā)動機，噴出“小量高速的噴氣”，有小的動量，如果用其向下噴出，得到反作用力，是很小的升力，但如果這個“小量高速噴氣”去推動一個大風(fēng)扇或大螺旋槳完全作了功，這個大風(fēng)扇或大螺旋槳“誘導(dǎo)”周圍空氣向下排氣是“大量低速的下洗流”，有更大的動量，有更大的升力——這就是“動量增大”，即增加了升力！這都是因為流體力學(xué)中的“機翼渦流誘導(dǎo)”作用，所以才會有所謂“渦輪噴氣發(fā)動機”不如“渦輪螺槳發(fā)動機”的“力量大”的說法。 請看一下流體動能和大氣壓力勢能轉(zhuǎn)化示意圖:可以看到，管子的底部的三個黑色空氣分子有一個初始動能和動量，其向上走（可比喻為渦流的離心力），那么將把上方的另外兩個白色分子推堵一起向上走（可比喻為流體的誘導(dǎo)作用和流體層間的剪切力），把管子上方的空氣都擠出去，而其下方就被“抽真空”了。但是，在大氣壓力下，這五個分子會最終在某個頂端停止運動，然后在大氣壓力作用下反向加速走回去，而這次是五個分子一起運動了。這其中包含了“動能”和“大氣壓力勢能”的相互轉(zhuǎn)化過程，但總的能量守恒，而動量是由三個分子的動量變成了五個分子的動量，質(zhì)量增大，速率減小，而動量卻增大了。當(dāng)然，實際上其帶動的上方空氣層的厚度是很大的，而各層的空氣分子的速率是不同的，是呈梯度變化的，所以最起碼動量和速率都會有積分關(guān)系式。從上一帖的圖和此帖的圖可以看到，“下洗流”在質(zhì)量、速度、方向和動量方面與原先的來流或吹氣都有變化，主要原因是，在“大氣壓力”和“渦流的離心力”相互對抗下，“渦流”的動能和大氣的“壓力勢能”之間有一個轉(zhuǎn)化過程。這里的渦流演化為下洗流的整個過程中，動量的方向改變是180度角，事實上，渦流動量的方向改變可以大于或小于此值。那么如果我們想要找那些把渦流流體的動量改變的“力”，可以認(rèn)為是“大氣壓力”和“離心力”及“剪切力”吧。當(dāng)然，以上談的都是渦流產(chǎn)生的氣動升力，所用的飛機機翼都是在亞音速飛行時候的翼型，對于超音速飛行時升力就不會由機翼上表面的渦流產(chǎn)生了，飛機在超音速飛行時，機翼上表面的凸起不產(chǎn)生升力，而此時的升力主要是由下翼面以前方來流的壓縮產(chǎn)生“壓縮升力”和激發(fā)“激波升力”。以后我們在談UFO的升力時會特別提到，UFO的渦流不但在直升懸停和亞音速飛行時產(chǎn)生氣動升力，而在超音速甚至高超音速時也仍然能產(chǎn)生升力！這是個特異現(xiàn)象。從簡化角度出發(fā)，下面我們將不使用微積分表達式，而采用速率的平均值對升力和動量進行推導(dǎo)分析，好讓中學(xué)生也可以看懂升力原理和動量的變化情況。一、對于渦流的升力，我們知道，這是“渦流所誘導(dǎo)的剪切流”在凸起的表面上因為“離心力”而有“抽真空效應(yīng)”，則上下表面形成壓力差，就是升力。在渦流的“離心力”和大氣壓力的作用下，渦流所誘導(dǎo)的剪切流最后成為下洗流，那么流體動量的改變量就代表了在此段時間內(nèi)作用在其上的力的作用，是一個沖量，符合經(jīng)典力學(xué)中的“動量定理”。而渦流的“離心力”造成的升力可以由機翼上下表面的壓力差（P）來表示，等于此流體的動量在垂直軸y向上的改變量，也即單位質(zhì)量或密度（m）的流體在通過一有限弧形凸起表面的一定時間內(nèi)受到離心力的沖量，其中c為一常數(shù)，（cv）為下洗流的速率（v）在垂直軸y向上的分量;另外，也可以這樣看:設(shè)此凸起表面的曲率圓半徑為（r），剪切流的單位質(zhì)量或密度為（m），平均速率為（v），那么這個剪切流的“離心力”可表示為（F），即F=m(vA2)/r那么，因為此凸起表面的面積和長度有限，并不會隨流體的速率變化而變化，而我們是尋求一個有限長度的弧形凸起表面的上下表面的壓力差（P），其在數(shù)量上等于此“離心力”（F），而從量綱分析出發(fā)，此凸起表面是一個有限的圓弧段，所以以上公式須再除以一個速率（v），并乘以圓弧長（cr），其中c為一常數(shù)，而（cv）為下洗流的速率（v）在垂直軸y向上的分量，或者是，渦流在面積和長度有限的凸起表面流經(jīng)的時間為（cr/v），并與流體受到的“離心力或向心力”（m（vA2）/r）相乘得到一個沖量，即動量的變化量；上式右邊即是渦流誘導(dǎo)的剪切流在此有限長度和面積的凸起表面產(chǎn)生的升力，也是下洗流的動量，所以，渦流變成剪切流最后演化成下洗流后，由下洗流的動量在垂直軸y向上的分量的絕對值代表了升力大小。二、對于渦流對周圍空氣的“誘導(dǎo)比”，我們知道，這是“渦流在流體的粘性和大氣壓力下”誘導(dǎo)一定質(zhì)量的周圍空氣形成剪切流，在“動能守恒”的大條件下，此剪切流的動量在垂直軸y向上的分量的絕對值大于原來渦流的動量。設(shè)一股“渦流”質(zhì)量為（m），平均速率為（^▼），在“誘導(dǎo)”出了兩倍質(zhì)量的“下洗流”（2m）后，從“動能守恒”出發(fā)，可以算其平均速率為（7v），即(1/2)(m)(10v)A2=(1/2)(2m)(7v)A2那么結(jié)果計算動量時，動量的絕對值增加了0.4倍。即(m)(10v)<(2m)(7v)請注意：這是最粗糙的說明，實際當(dāng)然不是這樣簡單，最起碼動量和速