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无人机重(chóng)要参数(shù)之升力

 

升力和阻力是(shì)无人机的两个(gè)很重(chóng)要的参数,是在与空气的相对运动中(zhōng)(相(xiàng)对气流)产生的。升力来源(yuán)于机(jī)翼上、下表面的气(qì)压差,此气压差是(shì)由气(qì)流的速度导致的。但机(jī)翼上、下(xià)表面气流的速度(dù)差的成因(yīn)解释较(jiào)为复杂,下面结合空气动力(lì)特性与基本规律(连续(xù)性定理、伯努利原理(lǐ))介绍升力的(de)产生(shēng)。

(1)连续性定理。当(dāng)流(liú)体连续不(bú)断而稳定(dìng)地流(liú)过一个粗细不等的流管时,在(zài)管道粗的地方流(liú)速比较慢,在管道细(xì)的地方流速比较快。这是由于管中(zhōng)任何一部分的流体既不能中断也(yě)不能堆积(jī),因此在同一(yī)时间,流进任(rèn)一截面的流体(tǐ)质量和从另一截(jié)面流出的流体质(zhì)量应该相(xiàng)等。这就是质量守恒(héng)定律。

在单位时间内,流过任一截面的流体体积(jī)等于流体(tǐ)流过该(gāi)截面(miàn)的(de)速度乘以该(gāi)截面的面积,而体积与流(liú)体密度相乘,即为单(dān)位时(shí)间(jiān)内流过该截面的流体质量。即:

m=pvA

式中(zhōng) m——单位时间内流(liú)过任一截面的流体质量

P——流体密度,kg/m³

V——流体(tǐ)速度,m/s

A——所取(qǔ)截面面积(jī),m²。

p1v1A1=p2v2A2=常数

这就是质量方程或连续方程。它(tā)说明通过(guò)流管各(gè)截(jié)面(miàn)的质(zhì)量流量必须相等。对于不可压缩(suō)流(liú)体,p1=p2=常(cháng)数,上式变为

v1A1=v2A2

可(kě)知,对于(yú)不(bú)可压缩流(liú)体(tǐ)来(lái)说,通过流管各横(héng)截面的体积流量必(bì)须相等。上式表明,流体(tǐ)流速的快慢与管道截(jié)面的大小成反比,这就是“连续性定理”。即流管横截(jié)面变小,平均流速将增大;反(fǎn)之(zhī),流管(guǎn)横截面变大,平均流速将变小。日常所见的(de)山谷里的风通常比开(kāi)阔平(píng)原的(de)风大;在河床浅而(ér)窄的地段(duàn),河水流(liú)得比较快,在河床深而宽的地段(duàn),河(hé)水流得比较慢(màn),就是遵循了连续性(xìng)定理。

(2)伯努利原理。伯努(nǔ)利(lì)原理(lǐ)是研究气流特(tè)性和空气动力之所(suǒ)以产生和变化的基本原理之一。1738年,瑞士(shì)物理学家丹尼尔·伯努利阐明了(le)流体在流动中的压力(lì)与速度之(zhī)间(jiān)的关系,后来(lái)科学界称之为伯努利(lì)原理。即流体速度大的地方压力小(xiǎo),流速小的地方(fāng)压力大,这(zhè)就是流速与压力之间(jiān)的关系,也就(jiù)是伯努利原理的基本定义。例(lì)如,在两张纸片(piàn)中间吹气,两(liǎng)纸(zhǐ)不(bú)是分(fèn)开,而是相互靠(kào)拢。

伯努利原理(lǐ)是能量守恒定(dìng)律在流体力学(空气流(liú)动过(guò)程)中的推广应用。在低(dī)速流动空气中,参(cān)与转换的(de)能量有两种:动能和压(yā)力能。气流一流动,就有动能产生,流动速度(dù)越大,动能(néng)越大。一定质量的空气,具有一定(dìng)的压力(即静压),静压越大,压力能越大。根(gēn)据能量守(shǒu)恒定律,气流稳定流过一条流管时(shí),如(rú)果没有外界能量(liàng)的加入,也就没有能量的损(sǔn)失,气(qì)流流动过程中的(de)总能(néng)量始终是不变(biàn)的。即:动能+压力(lì)能=常(cháng)量。

但(dàn)是流体动能与压力能是(shì)可以(yǐ)互相转换的,当流速(sù)变小时(shí),动(dòng)能减小,压力能却增(zēng)大,表现为压强增大(dà)。流速(sù)增大时(shí),动能增加啊,压力能就要减(jiǎn)小(xiǎo),表现为压强(qiáng)减(jiǎn)小。这就(jiù)是流速减小,压强(qiáng)升高(gāo),流(liú)速增大,压(yā)强(qiáng)降(jiàng)低的根本(běn)原因(yīn)。

应当注意(yì),以上定理(lǐ)在下述条件下才成立。

1)气流(liú)是连(lián)续的、稳定的。

2)流动中的空气与外界(jiè)没有能量交换。

3)气流中没有(yǒu)摩擦,或摩擦很小,可以忽(hū)略不计。

4)空(kōng)气(qì)的密(mì)度没有变化,或变化很小,可认为不变。

(3)升力的产生。综合连续性定(dìng)理和伯努利原理,可(kě)总结出(chū)如下结论:流(liú)管变细的地方,流(liú)速大,压力(lì)小;反之,流管变粗(cū)的地方,流速小,压力大。根据这(zhè)一结论,就可初步(bù)说明机翼上产生升力的原因了。

从空气动力角度(dù)看,飞机(jī)的(de)几何外形有机翼、机身和尾(wěi)翼[分水平尾翼(简称平尾)和垂(chuí)直(zhí)尾翼(yì)(简(jiǎn)称立(lì)尾)]等只要(yào)部件共(gòng)同构成(chéng)。飞机的升力绝大部分是(shì)由(yóu)机翼产生,尾翼通常是产(chǎn)生负升力,飞机其他部分产生的升力很小,一般不考虑。

空(kōng)气流到(dào)机翼前缘,分成上、下两股气流,分别沿机(jī)翼上、下表面流(liú)过,在机翼后缘重新(xīn)汇(huì)合向后流去。机(jī)翼上(shàng)表面比较凸出,流管较细,说明(míng)流速加快,压力降低。而机翼下表(biǎo)面,气(qì)流受阻(zǔ)挡作用,流(liú)管变粗,流(liú)速减慢,压力增(zēng)大。这里就引用到了上(shàng)述两个定理。于是机翼上(shàng)、下表面出现了压力差,垂(chuí)直于相对气流方(fāng)向的压力差的总(zǒng)和(hé)就是机翼的升力。这样,重于空气的飞机(jī)借助机翼(yì)上获(huò)得的升力(lì)克服自身因地球引力形(xíng)成的重力,从而翱翔(xiáng)在蓝天上了。

机(jī)翼升力的产生主要靠上表面(miàn)吸力的作用,而(ér)不是(shì)靠(kào)下表面正压(yā)力的作(zuò)用,一般(bān)机翼上表面形成的吸力占总升力的60%~80%,下表面的(de)正压形(xíng)成的升力只占总升力的20%~40% 

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