高升力空氣動力學(xué)主要研究增升裝置的空氣動力學(xué)特性,此類裝置也稱為高升力裝置。高升力空氣動力學(xué)是空氣動力學(xué)在飛行速度相對較低情況下的一個子集。本書重點放在民用運輸機上,但是相關(guān)物理學(xué)原理適用于其他飛機。
然而,高升力空氣動力學(xué)這一名稱并未完全描述出相關(guān)技術(shù)的內(nèi)涵。高升力裝置主要用于降低飛機起飛和進場時的速度。在勻速飛行過程中,升力與飛機重量相等,因此,需要增加的不是升力,而是升力系數(shù),從而確定最小速度與可達到的最大升力系數(shù)。因此,正確的名稱應(yīng)該是高最大升力系數(shù)空氣動力學(xué),實際上,該名稱從未使用。
雖然其目的是降低飛行速度,但低速空氣動力學(xué)這一術(shù)語卻具有一定的誤導(dǎo)性(雖然有時也用),低速通常指的是速度低至每秒幾米的非常慢的流動,此時摩擦力影響非常大。而高升力空氣動力學(xué)所覆蓋的速度范圍僅僅是相對于飛機巡航速度較低,著陸階段的典型速度從小型飛機的30節(jié)到大型運輸機的200節(jié)不等。
高升力系數(shù)通常意味著大攻角(飛機體軸線和速度之間的夾角)飛行。大攻角空氣動力學(xué)這一術(shù)語通常與細長三角翼上的特定流動以及相關(guān)的渦流主導(dǎo)的流動密切相關(guān)。雖然也可利用旋渦來提高升力,但本書并不研究此類流動。
本書從不同角度對高升力空氣動力學(xué)進行探討。在初步介紹之后,首先,討論了升力產(chǎn)生的物理極限,給出了產(chǎn)生升力的潛力。其次,通過分析飛機認(rèn)證所需的高升力相關(guān)要求,討論了飛機安全飛行所需的條件。第三,分析了提高飛機在起飛、進場和著陸期間性能的需求。
然后,討論了不同的增加升力機制,區(qū)分了主動和被動兩類高升力裝置,被動高升力定義為僅通過改變形狀來重定向氣流流動以改變升力。相反,主動高升力則通過改變流動的能量以改變升力。
最后,從空氣動力學(xué)的角度介紹了高升力裝置的評估和設(shè)計方法,除了數(shù)值和試驗方法之外,還專門介紹了高升力系統(tǒng)的氣動設(shè)計。當(dāng)然,本書無法全面涵蓋所有主題,主要集中在高升力空氣動力學(xué)與裝置的具體特征上,并提供了初步的見解。關(guān)于設(shè)計和仿真的更多細節(jié)可參考專業(yè)文獻。
正如讀者即將看到的,高升力空氣動力學(xué)涉及不同領(lǐng)域和學(xué)科。由于每個領(lǐng)域都有自己的標(biāo)準(zhǔn)和命名約定,許多符號具有雙重含義,例如,流體力學(xué)中用T表示溫度,而飛行力學(xué)中用T表示推力。為了增加本書的可讀性,省略了通用術(shù)語表,每章都單獨給出了術(shù)語表。
第1章引言1
1.1高升力系統(tǒng)發(fā)展簡史3
1.1.1高升力裝置的發(fā)展3
1.1.2大型運輸機發(fā)展趨勢5
1.2飛行安全約束6
參考文獻10
第2章升力產(chǎn)生的極限11
2.1無粘不可壓流動15
2.2可壓縮性影響19
2.3粘性影響23
2.4失速類型31
參考文獻37
第3章適航性39
3.1失速速度定義40
3.2速度定義41
3.2.1起飛和爬升42
3.2.2進場和著陸44
3.2.3高升力飛行的工作范圍44
3.3飛行階段45
3.3.1起飛45
3.3.2進場和著陸47
3.4飛行航跡坡度要求47
3.4.1起飛爬升要求47
3.4.2著陸爬升要求48
3.4.3陡峭進場49
3.5用于應(yīng)力評估的載荷工況49
3.5.1機動載荷50
3.5.2陣風(fēng)載荷51
3.5.3工作負(fù)載52
3.6噪聲分類52
參考文獻55
第4章起飛著陸階段飛機性能56
4.1一般關(guān)系57
4.1.1高升力飛行階段61
4.1.2地面效應(yīng)62
4.2氣動性能指標(biāo)69
4.2.1起飛69
4.2.2爬升71
4.2.3進場74
4.2.4著陸75
4.2.5短距起降77
參考文獻79
第5章被動高升力系統(tǒng)81
5.1無槽裝置83
5.1.1簡單襟翼83
5.1.2分裂式襟翼85
5.1.3格尼襟翼87
5.1.4下垂襟翼90
5.1.5前緣分裂襟翼(克魯格襟翼)94
5.2前緣縫翼95
5.2.1多段機翼氣動理論97
5.2.2縫翼102
5.2.3槽式克魯格襟翼106
5.2.4槽式襟翼107
5.2.5富勒襟翼110
5.2.6雙縫襟翼和三縫襟翼113
5.3渦流發(fā)生裝置115
5.3.1渦流發(fā)生器116
5.3.2渦流發(fā)生器陣列117
5.3.3板條翼119
5.3.4機艙擾流片119
參考文獻123
第6章主動高升力系統(tǒng)126
6.1邊界層控制(BLC)128
6.1.1邊界層抽吸128
6.1.2切向吹氣131
6.1.3非定常吹氣132
6.1.4射流渦流發(fā)生器136
6.1.5流體振蕩器140
6.1.6合成射流140
6.2環(huán)量控制142
6.2.1Coand效應(yīng)143
6.2.2機翼環(huán)量控制143
6.2.3Coand襟翼145
6.2.4流體動力襟翼146
6.3動力升力147
6.3.1推進滑流偏轉(zhuǎn)147
6.3.2外部吹氣襟翼149
6.3.3上表面吹氣(USB)152
6.4主動增升技術(shù)在民用運輸機上應(yīng)用評述156
參考文獻158
第7章高升力流動模擬163
7.1試驗?zāi)M164
7.1.1風(fēng)洞166
7.1.2風(fēng)洞模型類型及安裝168
7.1.3風(fēng)洞校正170
7.1.4無法修正的測量誤差源180
7.2數(shù)值模擬185
7.2.1計算流體動力學(xué)(CFD)185
7.2.2面元法188
7.2.3升力線方法191
參考文獻193
第8章高升力系統(tǒng)氣動設(shè)計196
8.1高升力系統(tǒng)設(shè)計流程197
8.2高升力系統(tǒng)幾何描述200
8.2.1高升力系統(tǒng)布局200
8.2.2平面參數(shù)201
8.2.3形狀參數(shù)202
8.2.4位置參數(shù)202
8.3設(shè)計約束204
8.3.1結(jié)構(gòu)約束204
8.3.2運動學(xué)約束205
8.4翼型與機翼設(shè)計的關(guān)系210
8.4.1機翼設(shè)計210
8.4.2后掠機翼變換211
8.4.3局部后掠變換213
8.4.4高升力裝置偏轉(zhuǎn)變換216
8.5高升力裝置優(yōu)化217
8.5.1數(shù)值優(yōu)化方法218
8.5.2設(shè)計問題的定義225
參考文獻229
縮寫231