飞机原理与构造第四讲_高速空气动力学基础(优.选)

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激波与膨胀波
激波的种类
激波的形状往往与物体头部形状和飞行马赫数有 密度关系，不同物体形状头部激波不同。
物体头部是方楞的的或园钝的，则由于对气流的 阻滞作用很强，在物体前端通常产生脱体激波，产生 强烈的正激波范围较大。
头部尖的物体，由于对气流的阻滞作用较弱，在 其前缘常产生附体激波，前缘越尖，气流受阻越小， 激波变的越斜。
最终取决于空气温度。气温低时，空气容易压缩，不能快速挤压 周围空气，音速慢。
3) 音速的快慢，取决于高度的变化。 音速一般在10—11公里以下，高度升高，音速下降。
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高速气流的特性
音波、音速、马赫数
马赫数(M数)
全面衡量空气压缩量的大小，要同时考虑飞行 速度和音速两个因素，一般用气流速度和音速的比 值来综合表达对空气压缩性的影响，这个比值称为 马赫数(称M数)。
M=V/a
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高速气流的特性
恩斯特·马赫（Ernst Mach，1838－1916）
奥地利杰出的物理学家、心理学家和数学家，同时又是 一位伟大的哲学家。他促成了实证主义向逻辑经验主义的过
渡，形成了哲学史上著名的马赫主义哲学。
1855年马赫进维也纳大学学习物理和数学，于1860年获 得博士学位。以后他进行一系列物理学方面的实验研究，如 有关冲击波的研究。在心理学上他也取得了一些重大进展， 如“马赫带”的发现等。
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激波与膨胀波
激波的种类—正激波
波面与气流方向垂直的激波，叫正激波。 气流流过正激波，压力、密度和温度都突然引高， 流速由超音速降为亚音速，但气流方向不变．在同一M 数下，正激波是最强的激波。
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激波与膨胀波
激波的种类—正激波
正激波的形成过程： 见图9－7直圆管在活塞右侧是无限延
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激波与膨胀波
激波的种类—正激波
激波的传播速度：
（1）激波向右的传播速度，激波后气 体的运动速度则为活塞向右移动的 速度 ,见图(a)。
（2）当把坐标系建立在激波面上时， 激波前的气体以速度向左流向激波， 经过激波后气体速为,见图 (b)。
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激波与膨胀波
激波的种类—斜激波
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高速气流的特性
空气压缩性与马赫数M的关系
马赫数M是真速与音速之比。分为飞行马赫数和局部马赫数，
前者是飞行真速与飞行高度音速之比，后者是局部真速与局部 音速之比（如翼型上表面某点的局部马赫数）。
M数越大，空气被压缩得越厉害。
低速飞行(马赫数M<0.4)
可忽略压缩性的影响
高速飞行(马赫数M>0.4)
分比
-0.96% -0.84% -0.64% -0.36%
0
0.44% 0.96% 1.65%
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高速气流的特性
超音速气流的加速性
低速气流的气流特性是：流速要加快，流管势必变细。 超音速气流的气流特性是：流速要加快，流管必须变粗。
流管形状 低速气流（不可压缩）亚音速气流（Ma<1） 超音速气流（Ma>1）
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激波与膨胀波
激波:
飞机以超音速飞行时，沿途的空气来不及让开，物体与 空气骤然相遇，空气突然遭受强烈压缩，形成一个强烈的扰 动。（事先无影响）
扰动锥前后即受扰动空气与尚未受到扰动的空气之间 有一个压力、密度、温度等参数都相差很大的分界面，这个 分界面叫激波。
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激波与膨胀波
v
Ma
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高速气流的特性
弱扰动波在气流中的传播
弱扰动在亚音速和超音速时的传播情况是不同的： 1、在亚音速时，在整个空间都能传播扰动；在超 音速时，被扰动范围只在扰动锥内，扰动锥以外的气流 不受扰动，M数越大，扰动锥锥角越小。 2、在亚音速时，扰动波可以逆气流向前传播，扰 动源一路前进，所遇到都是被它扰动过的空气，因此扰 动源不会和前面空气骤然相碰；在等音速或超音速气流 中，扰动波不能逆气流向前传播，而只能传播到扰动源 后边的一定范围，飞行速度越大，扰动波前进越困难。
伸的，开始时管道中充满静止气体如(a)所 示，活塞向右突然作加速运动，在一段时
间内速度逐步加大到v，然后以等速v运动。
活塞表面靠近的气体依次引起微弱的扰动， 这些扰动波一个个向右传播。如(b)所示， 当活塞不断向右加速时，一道接一道的扰 动波向右传播，而且后续波的波速总是大 于现行波的波速，所以后面的波一定能追 上前面的波。如(c)所示，无数个小扰动弱 波叠加在一起形成一个垂直面的压缩波， 这就是正激波。
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高速气流的特性
气流速度与流管截面积的关系
由连续性定理，在同一流管内
VA const 速度增加，空气密度减小。
在超音速时，密度的减小量大于速度的增加量， 故加速时要求截面积增大。
因此，M>1时，流管扩张，流速增加，流管收缩，流速减小。
在超音速气 流中,流管截面积 随流速的变化
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高速气流的特性
音波、音速、马赫数
音速（a）：弱扰动在静止空气中传播的速度叫做音速
音速约等于每小时1227公里或每秒341米。音速大小用字母a 来表示。
1) 音速的快慢，取决于传播的介质。 介质越难压缩，音速就越大。
2) 音速的快慢，取决于空气温度变化。 空气的压缩性取决于空气温度，所以音速在空气中的快慢
2. 正激波（超声速气流 经过激波流动方向不变化）
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激波与膨胀波
激波的种类
3.脱体激波（超声速气流流过钝 头物体产生的激波）
激波实例： 美军超音速飞机
激波的流动不能作为 等熵流动处理。但是， 气流经过激波可以看作是绝热过程。
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激波与膨胀波 激波的种类
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1.扰动源不动 2.扰动源的速度小于音速 3.扰动源的速度等于音速 4.扰动源的速度大于音速
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高速气流的特性
弱扰动波在气流中的传播
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半径为n*a的球状ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ构 23
高速气流的特性
弱扰动波在气流中的传播
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锥顶角（马赫角）
arcsin a arcsin 1
飞机原理与构造 第四讲
第三章 高速空气动力学基础
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第三章 高速空气动力学基础
一、高速气流的特性 二、激波与膨胀波 三、高速气流中作用于翼型上的空气动力 四、后掠机翼
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高速气流的特性
当飞机由低速飞行进入高速飞 行，就会遇到某些激波、局部激波 等与低速飞行截然不同的现象。这 主要是高速飞行时，空气密度随飞 行速度的变化而变化，使飞机空气 动力发生了新的变化。这种变化， 又是由于高速飞行中气流特性发生 了显著变化所致。
空气密度随飞行速度变化的关系
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高速气流的特性
空气的压缩性与温度的关系
空气本身温度越高，越不易被压缩。 这种现象是空气分子热运动影响的结果。温度越高， 空气分子的整运动速度越大，在外界压力改变量相同的 条件下，体积变化小，密度变化也较小、空气压缩性较 少。气体温度越高，它抵抗外界压缩的能力越强，越难 压缩。 空气密度是否容易变化，与温度有很大的关系。
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高速气流的特性
空气压缩性与音速a的关系
a dp
d
a 39 t 273 海里/小时
a 20.1 t 273 公里/小时
音速与传输介质的可压缩性相关，在空 气中，音速大小唯一取决于空气的温度，温 度越低，空气越易压缩，音速越小。
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高速气流的特性
亚音速、等音速和超音速的扰动传播
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高速气流的特性
空气的压缩性与飞行速度的关系
高速气流之所以与低速气流有如此的差别，其根本 原因是空气具有压缩性的缘故。空气由于压力，温度等 条件改变而引起密度的变化叫做空气的压缩性。由于空 气的压缩性会引起一系列的问题：弱扰动的传播，高速 气流中压力和流速随流管截面积的变化，激波等。
当飞机以超音速的速度掠空而过时，机头和机翼都会 产生激波，使激波后面的空气压力增大很多，在激波经过 瞬间，地面将所到象炸弹爆炸般的震动声，这就是通常所 说的超音速“爆音”。
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激波与膨胀波 激波
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战斗机超音速声爆 32
激波与膨胀波
激波的种类
1. 斜激波（超声速气流 经过激波流动方向变化）
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高速气流的特性
超音速气流的获得
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The Tailpipe of Space Shuttle 21
高速气流的特性
弱扰动波在气流中的传播
波面前后空气压力和密度等参数差别非常微小的叫弱 扰动，波面前后参数有显著差别的，叫强扰动。
在研究声音传播时，往往假设声源是不动的，但实际 上声源本身是可以运动的，再加上空气的运动，声音与空 气（气流）之间的相对运动可分为：
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激波前后气流参数变化 28
激波与膨胀波 激波实例
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激波与膨胀波 激波实例
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激波与膨胀波
激波
由于激波前后压力差相当大(例如，飞行速度为每小 时1800公里，激波后面的压力会比激波所压力提高1.39大 气压每平方米，将增大139000牛顿的空气压力)。
必须考虑空气压缩性的影响
M TAS a
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高速气流的特性
气流速度与流管截面积的关系
由连续性定理，在同一流管内
VA const 速度增加，空气密度减小。
在亚音速时，密度的减小量小于速度的增加量， 故加速时要求截面积减小。流量一定，流速快则截面 积减小；流速慢则截面积增大。
在亚音速气流 中,流管截面积随 流速的变化
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高速气流的特性 音波、音速、马赫数
音速：扰动在空气中的传播速度就是音速。
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鼓音（音波）的传播 7
高速气流的特性
音波、音速、马赫数
音波—弱扰动波
由于空气具有可压缩的物理特性，当空气受扰动时会 使空气的压力和密度发生了变化，就产生压力一升一降， 密度一疏一密的扰动波，一个接着一个地向外传播，这种 扰动波是空气被压缩和膨胀交替变化的结果，因此，我们 把这种空气不断反复发生扰动的弱扰动波称为音波。
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高速气流的特性
空气的压缩性与飞行速度的关系
在大速度情况下，气流速度变化引起空气密度的变
化显著增大，就会引起空气动力发生额外的变化，甚至 引起空气动力规律的改变，这就是高速气体特性所以区 别于低速气流根本点。
飞行速度
200 400 600 800 1000 1200
空气密度增加的百分比 1.3% 5.3% 12.2% 22.3% 45.8% 56.6%
压力减小 收缩的流管 流速增大 密度不变
温度不变
压力减小
压力增大
流速增大 密度减 流速减小 密度增大
小
温度降低
温度升高
压力增大 扩张的流管 流速减小 密度不变
温度不变
压力增大
压力减小
流速减小 密度增 流速增大 密度减小
大温度升高
温度降低
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高速气流的特性
超音速气流的获得
要想获得超音速气流，截面积应该先减后增。
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高速气流的特性
速度、密度和截面积在不同M数下的变化值
气流M数
0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6
流速增加的百分
比
1%
1%
1%
1%
1%
1%
1%
1%
密度变化的百分
比
-0.04% -0.16% -0.36% -0.64% -1% -1.44% -1.96% -2.56%
截面积变化的百
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高速气流的特性
他研究物体在气体中高速运动时，发现了激波。确定 了以物速与声速的比值（即马赫数）为标准，来描述物体 的超声速运动。马赫效应、马赫波、马赫角等这些以马赫 命名的术语，在空气动力学中广泛使用，这是马赫在力学 上的历史性贡献。
20世纪物理学的两大杰出理论体系相对论和量子力学 的建立，都是受马赫的启发和影响而完成的。
激波
激波是受到强烈压缩的一 层薄薄的空气，其厚度仅有千分 之一到万分之一毫米，由于空气 受到强烈压缩，使激波前后空气 的物理特性发生突变， 气流通 过激波后，压力突然加大，密度、 温度也都突然升高，气流速度却 大为降低。
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激波与膨胀波 激波
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激波模拟 28
激波与膨胀波 激波
波面沿气流方向倾斜激 波叫斜激波。空气通过斜激 波，压力、密度、温度也要 突然升高，但不象通过正激 波那样强烈。流速降低，可 能降为亚音速，也可能仍为 超音速，通过斜激波后，气 流方向要向外转折。
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激波与膨胀波
激波的种类—斜激波
当超音速气流流过图中所示的 凹壁面时将产生斜激波,气流的速 度由超音速变为亚音速，而且流动 的方向也将发生变化。壁面的转折 角为，用角标1和2分别表示波前和 波后，n和t分别表示速度与激波面 垂直和平行的分量，激波与波前壁 面的交角称激波角，如图中。