飛機機翼到底怎樣才會產生升力?模擬風洞完全圖解,看完就懂

2020-11-27 旋翼飛行器

全文原創,本號版權所有,侵權必究

前言:本文採用虛擬風洞對NASA真實翼型機翼進行吹風演示,直觀明了,完全圖解機翼升力產生原理,乾貨滿滿,敬請讀者收藏轉發

說明:本號專注於專業概念的科普論述,網際網路沒有新鮮事,但我們專業靠譜的知識,歡迎關注。

平常說到飛機機翼如何產生升力的時候,我們往往會用高中物理所學的知識來進行解答:因為機翼上表面相比下表面弧度大,距離長,從而氣流經過同時經過上表面和下表面的時候,下表面的速度勢必要比上表面慢一點,而根據伯努力定律,速度越快,壓強就低,因此,上下機翼表面就會形成一個壓差,給機翼提供了向上的升力。

那麼,這話對不對呢?

從基本原理上來說,這話是沒錯的,但是放到實際問題中一看,這句話就存在很多疑點了,比如說:

機翼真的是上表面弧度大嗎?

在機翼翼型研究方面,美國國家航空宇航局NASA(曾經叫NACA)乃是世界頂級,無人能出其有,而NACA0012就是一款NASA出品的對稱翼型,對稱翼型是什麼概念呢?意思就是這種翼型上下表面是對稱的,那上下表面的距離不就一樣了?升力還怎麼產生?

氣流分離

相信氣流分離的概念讀者或多或少都有所耳聞,氣流吹過機翼的時候,可不是一直貼著翼型表面在流動的,在某個位置,氣流將脫離機翼表面,這就稱為氣流分離,那麼既然氣流都分離了,實際壓力情況還怎麼用高中物理的概念解釋?

下文將基於NACA0012翼型機翼針對這兩個概念作出全面的圖解分析。

迎角的概念

英文名:Angle of Attack,有些地方翻譯為攻角,兩種稱呼都得到了學界的普遍認可。所謂迎角,通俗地說,就是機翼翼型迎風角度,從幾何概念來說就是氣流吹過來的方向和翼型弦線之間的夾角。正因為迎角的存在,即便是對稱翼型,仍然可以做到讓機翼上下表面氣流流動產生距離差從而產生升力差。

弱氣流分離現象

在對迎角的概念有個清晰的認識之後,我們就可以對氣流分離現象進行說明了。

前文我們已經提到過,氣流並不會按照飛機工程師設想的貼著機翼表面流動,在某一個角度,它會脫離機翼表面,這就稱為氣流分離。氣流分離並不是一成不變的,根據氣流速度、迎角大小、翼型表面的粗糙程度、翼型的幾何特點,氣流分離點都是不一樣的。

如果某一次氣流分離現象中,氣流分離點的位置離機翼後緣比較近,那麼我們就將這種現象稱為弱氣流分離。

強氣流分離現象

相應的,如果某一次氣流分離現象中,氣流分離點的位置離機翼的前緣比較近了,那麼我們就將這種現象稱為強氣流分離。

我們經常說的機翼失速,就是一種特殊的強氣流分離現象,在迎角過大的情況下,機翼上表面氣流會迅速分離,導致機翼突然無法產生升力,對於固定翼飛機而言,大面積的機翼失速將會是一種相當危險的情況。

震蕩翼型的流場情況

飛機在飛行中,機翼迎角一般不會隨意變化,但是直升機則不同,直升機由於旋翼在旋轉,加上周期變距和揮舞作用,其槳葉的迎角實在不斷變化的,事實上,這是一種翼型迎角周期變化的情況,在學界,研究者一般稱之為翼型震蕩,下文我們就按時間順序圖解一下震蕩翼型的流場情況,從圖中我們可以觀察到起動渦、前緣渦、動態失速渦的形成和運動。

相關焦點

  • 虛擬風洞完全圖解繞流機理,看完就懂
    本文將針對典型小汽車的氣動外形就行虛擬風洞吹風試驗,完全圖解汽車行駛過程中的氣流繞車身流動情況,讀完本文,你將可以從專業角度解釋諸多汽車行駛現象,乾貨滿滿,敬請收藏轉發。說明:本號專注於專業概念的科普論述,網際網路沒有新鮮事,但我們專業靠譜的知識,歡迎關注。
  • 飛機為什麼能飛?升力怎麼產生的?
    長期以來,全世界的飛行員教材絕大多數都錯誤地引用「伯努利定理」解釋升力,導致了許多原可避免的飛行事故。尤其要提到一架雙水獺飛機在甘迺迪機場因飛機尾跡湍流引起的事故,如果我們向飛行員和空中交通管理人員正確講授了升力產生的原理,他們會明白尾跡湍流的危險性,可是竟有人事後在美國《航空周刊》上評論說:「這類所謂尾跡湍流是完全不可預料的」。
  • 家庭小實驗 飛機機翼的升力
    機翼的升力製作方法: 用硬泡沫塑料製成長 80毫米、寬50毫米的機翼。靠翼兩端打兩個小孔。事先在預備打孔的兩個位置上各釘一隻小釘,用線拴釘,提線,吊起機翼,前後調整小釘的位置,直到機翼能保持水平狀態,然後拔出小釘,在小釘處打孔。在兩孔中各插入一截原子筆芯。做一個方框形木架。
  • 飛機是「吹出來的」 風洞試驗史話
    風洞即風洞實驗室,是以人工的方式產生並且控制氣流,用來模擬飛行器或實體周圍氣體的流動情況,並可量度氣流對實體的作用效果以及觀察物理現象的一種管道狀實驗設備,它是進行空氣動力實驗最常用、最有效的工具之一。
  • 飛機是「吹出來的」 ——風洞試驗史話
    民航資源網2019年8月21日消息:風洞是現代航空航天技術發展中無論如何都不能跨過去的一個坎。飛機在試飛之前必須要經過密集的風洞測試,才能確定其氣動性能,測量出飛機模型表面的壓力、壓強和流場,這樣一來才能夠獲得飛機的各種數據,包括阻力、升力、加熱特性等等,使得後續飛機的研製工作事半功倍。風洞的作用如此重要,以至於有人說飛機是「吹出來的」。
  • NASA進行X-57飛機螺旋槳風洞試驗
    據NASA網站2020年11月2日公告,美國宇航局局(NASA)X-57「麥克斯韋(Maxwell)「飛機的螺旋槳最近在維吉尼亞州漢普頓的蘭利研究中心進行了風洞試驗。
  • 揭秘升力是如何產生的?
    這種理論認為,升力來源於空氣對機翼底部的反作用力,就像打水漂一樣,石子在快速滑過水麵時,會排開水體從而獲得反向的作用力重新離開水體,飛機在飛行時不斷向下推開空氣,從而依靠反作用力獲取升力。由於這個理論主要依賴於牛頓第三定律,故下文稱「牛頓派」。這個理論的顯著錯誤在於,它認為產生升力的主要是機翼下表面,機翼上表面的貢獻可以忽略。
  • 100噸重的飛機,是怎樣飛起來的?看完佩服工程師的智慧
    100噸重的飛機,是怎樣飛起來的?看完佩服工程師的智慧說起飛機,以前絕對算得上是奢侈品,除了王侯將相、富豪大款可以偶爾坐一下,普通人連想都不敢想。發動機進氣道吸進空氣,經過壓氣機一級一級的壓縮,變成高壓空氣送進燃燒室,大量燃油在燃燒室裡充分燃燒,產生高溫高壓的燃氣,再經過多級渦輪增壓後高速噴出,產生一個反推力,推動飛機向前運動。這跟汽車渦輪增壓的原理差不多,同樣大小的氣缸裡噴入更多的燃油和更多的空氣,燃燒產生的能量就更大了,只不過飛機的增壓要比汽車強悍得多!再來說說飛機向上飛的動力來源。
  • 真沒想到,網球運動為建立飛機翼型升力理論提供了重要「線索」
    鳥類或者飛行器之所以能在天空翱翔,是持續產生了大於自身重力的升力。圖1. 武俠劇中大俠的輕功儘管很多航空先驅發現了很多產生升力的現象,也利用十分簡陋的風洞設備設計出了能產生升力的機翼,但由於理論與設計實踐嚴重脫節,往往知其然,不知其所以然,無法從理論上發現升力的本質。有趣的是,為飛機翼型升力理論提供重要「線索」的,卻是廣為流行的網球運動。圖2.
  • 飛機上百噸重量,為何能保持飛行不掉落?看完吹風機演示你就懂了
    不過就有不少人對此事比較的好奇,就是飛機上百噸重量,為何能保持飛行不掉落?看完吹風機演示你就懂了。其實這主要跟飛機的結構設計有關。據了解,飛機之所以能前進,依靠的就是噴氣發動機產生的推力。而升力,就靠飛機的機翼來進行。當飛機飛上天空時,氣流流過機翼會被分成兩股力量。它們會先從機翼的上表層流過,然後在機翼後端匯合。而由於機翼上層是呈凸起結構,這是讓它的壓力比下層要小,流速更快。
  • 飛機升力的產生——流體壓強與流速的關係
    本節的主要內容如下:首先,流體壓強與流速的關係流速大的地方壓強小,流速小的地方壓強大其次,飛機升力產生的原因產生升力的原因:氣流被機翼分成上下共兩部分,由於機翼橫截面上下不對稱,在相同的時間內,機翼上方氣流通過的路程較長,因而速度較大,它對機翼上表面的壓強較小;下方氣流通過的路程較短,速度較小,它對機翼下表面的壓強較大。
  • 機翼升力原理的傻瓜式解析
    過去一說到飛機的機翼產生升力進而把飛機託起來的原理,學界最為經常引用的理論便是伯努利原理。
  • 飛機的機翼為何上翹?領略一下機翼末梢的精彩
    (如果不想看下面這段內容,就直接往後吧!)我們還是先要知道飛機在飛行中是有許多阻力的,有摩擦阻力,壓差阻力,誘導阻力等。這些阻力毫無疑問增加飛機飛行阻力,使飛行更費油,增加成本。今天的內容就和這個誘導阻力有關。為了理解誘導阻力,我們先來了解一下飛機的升力是如何產生的吧。
  • 圖解飛機的飛行原理
    對於普通人來說,飛機是比較好奇的,尤其是飛機怎麼飛起來的?飛機飛的有多快?飛機上天了不就可以隨意開嗎?
  • 波音7E7飛機的低速風洞測試現已接近尾聲(組圖)
    2003年6月20日——波音7E7飛機的低速風洞測試現已接近尾聲,被測模型將進入第一輪高速風洞測試階段。  通過風洞模型,專家們可針對所設計的飛機進行各種不同配置的測試。低速測試採用各種大升力表面設置值來模擬飛機起飛和降落的條件,以測量飛機性能。
  • 美國宇航局奇怪的機翼設計能讓飛機非常省油
    今年1月,波音公司首次試飛了其新型寬體飛機。這架被稱為777x的飛機最炫的特徵是它的機翼可以在末端摺疊起來。它的機翼比之前版本的飛機更長,這一設計改變有助於提高飛機的整體燃料效率。與此同時,當它在地面上時,末梢可以摺疊起來,這樣它就可以擠進機場的「大門」。在四月底,波音公司的第二架777x測試機飛行了近三個小時。
  • 圖解飛機飛行原理,終於搞懂了!
    愛飛機,愛飛行:您可以點擊標題下的我愛飛機關注,點右上角按鈕
  • 圖解飛機的飛行原理 小時的疑惑秒懂
    對於大眾來說,飛機是比較好奇的,尤其是飛機怎麼飛起來的?飛機飛的有多快?飛機上天了不就可以隨意開嗎?看完這些圖,讓你秒懂!  升力的產生--氣流流過的壓力差產生了升力,飛行的根本  飛機運動的三軸簡化,俯仰、滾轉、偏航滾轉是副翼控制的俯仰運動靠升降舵控制偏航運動靠方向舵控制  航空發動機--飛機前進的動力提供
  • NASA開發積木式飛機機翼結構
    如今,美國航空航天局(NASA)的科學家和工程師通過研究證明了飛機結構也可以通過小型單元的「積木式」組裝實現定製化設計。近日,NASA正在開展的「任務自適應數位化複合材料航空結構技術」(MADCAT)項目披露了最新研究進展,通過4米翼展的飛翼模型風洞試驗結果初步驗證了這種結構的潛力。
  • 為什麼飛機降落前速度這麼低,卻沒有掉下來?看完長知識了
    大家在乘坐飛機的時候,是否會有這樣的疑問,為什麼每次飛機將要降落之前,都要降低速度,怎麼不會掉下來呢?今天我們就要來弄清楚這個問題。看完長知識了首先我們就需要了解飛機進行飛行的原理,其實它是靠空氣在飛機機翼方流動,從而使飛機產生一個升力即使它飛行的。