2864

В.И. ПЕНТЮХОВ, А.П. БУДНИК, А.М. ЧАШНИКОВ

АЭРОГИДРОДИНАМИКА

Учебное пособие

Воронеж - 2002

УДК: 629.7.015.001.24

Аэрогодродинамика: Учеб. Пособие/ Пентюхов В.И., Будник А.П.,Чашников А.М.; Воронеж. Гос. Техн. Ун-т.

Воронеж, 2002. 160 с.

В учебном пособии кратко изложены основы механики жидкостей и газов с твердыми телами, помещенными в них. Рассмотрены вопросы аэродинамики частей самолета и всего самолета в целом.

Предназначено для студентов специальности 130100 ―Самолетовертолетостроение‖, направление 551000 ―Авиаракетостроение‖ для выполнения курсового и дипломного проектирования по учебной дисциплине ―Аэродинамика самолета‖.

Ил. 37. Библиогр.: 19 назв.

Научный редактор канд. техн. наук. Е.Н. Некравцев

Рецензенты: кафедра теоретической и прикладной механики ВГУ; канд. техн. наук В.А. Шалиткин.

Печатается по решению редакционно–издательского совета Воронежского государственного технического университета

© Пентюхов В.И., Будник А.П., Чашников А.М.

2002

©Оформление Воронежского государственного технического университета. 2002

1.

2

2.ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ КИНЕМАТИКИ

ЖИДКОСТЕЙ И ГАЗОВ

1.1. Краткие сведения о развитии аэрогидродинамики

Аэрогидродинамикой называется наука о движении воздуха и других жидкостей и газов, а также о силовом взаимодействии между жидкими, газообразными и твердыми телами при их относительном движении.

Аэрогидродинамика представляет собой один из важнейших разделов механики жидкостей и газов, которая, в свою очередь, является одной из частей общей механики.

В аэрогидродинамике изучаются две основные проблемы – проблема движения твердого тела в газообразной среде, или, что, то же самое, обтекание этой средой неподвижного тела (внешняя задача аэрогидродинамики) и проблема движения газов в пространстве, ограниченном стенками (внутренняя задача аэрогидродинамики).

Из этих двух основных проблем аэрогидродинамики особенно важной с точки зрения практических приложений является первая, к которой сводятся почти все задачи современной авиационной аэрогидродинамики.

Однако в последние годы сильно возросло также значение и второй проблемы, главным образом, в связи с развитием реактивной техники, турбостроения, а также в связи со строительством мощных газопроводов.

Одной из новых проблем, выдвинутых авиацией перед аэрогидродинамикой, была проблема подъемной силы.

Без подъемной силы уравновешивающей вес самолета, невозможен горизонтальный полет на аппарате тяжелее воздуха.

Поэтому исследование возникновения подъемной силы является одним из важнейших для авиации.

Впервые проблема подъемной силы была решена Н.Е.Жуковским, явившимся, тем самым, основоположником современней аэрогидродинамики

3

Н.Е.Жуковский не только решил проблему подъемной силы крыла. Им впервые была создана вихревая теория крыла и гребного винта, разработаны методы и оборудование для экспериментального исследования в аэрогидродинамике, созданы основы аэродинамического расчета и динамики самолета.

Ученик Н.Е.Жуковского С.А.Чаплыгин задолго до появления скоростных самолетов разработал теорию движения газов с большими скоростями. Он по праву является основоположником современной газовой динамики.

Под руководством Н.Е.Жуковского были построены первые в России аэродинамические лаборатории.

По инициативе Н.Е.Жуковского был организован Центральный аэрогидродинамический институт (ЦАГИ), который ныне носит его имя.

Исследования Н.Е.Жуковского и его многочисленных учеников выдвинули российскую авиационную науку на первое место в мире.

В аэрогидродинамике исследуется несколько моделей (теоретических схем) воздуха.

Раздел аэрогидродинамики, изучающий воздух как несжимаемую жидкость, носит название гидроаэродинамики.

Рассматривать воздух в виде несжимаемой жидкости можно лишь при малых скоростях движения.

При скоростях движения воздуха, близких или больше скорости распространения звука, проявляется сжимаемость воздуха, т.е. он ведет себя как газ. Изучением движения газа с большой скоростью занимается аэродинамика больших скоростей, или газовая динамика.

Обтекание тел при очень больших, так называемых гиперзвуковых скоростях, которые в 5 и более раз превышают скорость звука, изучается разделом аэродинамики, называемым гипераэродинамикой.

Обтекание тел сильно разреженным газом, встречающееся на больших высотах, рассматривается аэродинамикой разреженных газов, или супераэродинамикой.

4

При движении с большими гиперзвуковыми скоростями возникают явления диссоциации и ионизации молекул воздуха, изменявшие его физические свойства.

Аэродинамика ионизированного газа называется магнитоаэродинамикой.

1.2. Применение аэрогидродинамики в авиационной технике

Аэрогидродинамика является основой для расчета самолетов.

Ваэрогидродинамике самолета приходится рассматривать движение твердого или упругого тела в жидкой или газообразной среде.

Вбольшинстве задач, касающихся самолета, среду можно считать безграничной, а движущееся в ней тело– удобообтакаемым, т.е. имеющим относительно малое сопротивление.

Отметим наиболее важные вопросы проектирования и расчета самолета, при решении которых используются в качестве исходных данных результаты, полученные аэрогидродинамикой.

Для расчета движения самолета, т.е. для определения скорости, высоты и дальности полета, длины разбега при взлете и т.д., и для определения летных качеств самолета (устойчивости, маневренности и т.д.) необходимо знание результирующих аэродинамических сил и моментов. К этому приводится силовое взаимодействие среды и самолета при разных скоростях и направлениях его движения.

Определение этих сил и моментов составляет одну из основных задач аэрогидродинамики.

Вопросы расчета самолета на прочность, вибрации и деформации выдвигают перед аэрогидродинамикой другую задачу, более сложную и трудную.

Для этих расчетов необходимо знать распределение аэродинамических сил по поверхности самолета в разных

5

случаях движения.

Следует отметить, что для аэродинамических сил характерно неравномерное распределение, местные нагрузки при этом могут достигать весьма больших величин, в особенности при больших скоростях полета.

При полете со скоростью, значительно превышающей скорость распространения звука, поверхность самолета подвергается существенному нагреву.

Знание величины этого нагрева необходимо как для расчета прочности и деформации самолета, так и для проектирования охлаждающих устройств.

Всвязи с этим перед аэрогидродинамикой возникает задача расчета температуры на поверхности тела и теплоотдачи среды.

Аэрогидродинамика, в свою очередь, предъявляет определенные требования к проектированию, производству, эксплуатации, наземному обслуживанию и ремонту самолета.

Эти требования зачастую определяют конструкцию, способ производства, режимы эксплуатации или формы обслуживания самолета.

При проектировании самолета возникает, во-первых, задача выбора внешних форм самолета и его частей.

Было бы неправильно представлять себе, что для всех случаев существует наилучшая, так, сказать, идеальная форма крыла, фюзеляжа и других частей самолета.

Вдействительности каждой скорости, грузоподъемности или другому условию, предъявляемому к самолету, отвечает своя, наилучшая с аэродинамической точки зрения, внешняя форма.

Так, тихоходный самолет должен иметь толстые крылья, тогда как скоростному необходимы тонкие. Даже внешний вид удобообтекаемой формы изменяется при изменении скорости полета; для малых скоростей она закруглена спереди, для больших (сверхзвуковых) – заостренная.

Задачей аэрогидродинамики при проектировании

является выбор наилучших внешних форм самолета

6

соответственно техническим условиям на его проектирование. Во-вторых, при проектировании возникает задача

наиболее рационального размещения и взаимного расположения частей самолета, так чтобы их эффективность была максимальная.

При производстве самолетов обычно получаются отклонения их внешних форм и размеров от теоретических форм и размеров.

Это является результатом погрешностей при изготовлении деталей и узлов, погрешностей сборочных приспособлений, погрешностей при отделке и окраске.

Кроме того, при серийном производстве самолет обычно несколько отличается по своим внешним формам и отделке от опытного образца.

Задачей аэрогидродинамики является установление допустимых отклонений для размеров, формы и состояния поверхности, как отдельных частей, так и самолета в целом.

Установление этих допустимых при производстве отклонений приобретает особое значение в последнее время в связи с тем, что при больших скоростях полета даже незначительная шероховатость поверхности или изменение формы крыла может повлечь за собой существенное снижение скорости или других летных данных выпускаемого самолета.

В полете, т.е. при эксплуатации самолета, возникают от действия приложенных к нему нагрузок деформации, которые несколько изменяют наружные формы и размеры частей и, следовательно, и действующие силы.

Задача аэродинамики заключается в установлении величин деформаций, скоростей и нагрузок, допустимых при эксплуатации самолета.

От действия аэродинамических сил и упругости конструкции в полете могут возникать вибрации и тряска как самолета в целом, так и отдельных его частей.

Некоторые из этих вибраций могут привести к разрушению самолета, другие препятствуют пилотированию или нормальному самочувствию пассажиров и команды.

7

Задача аэрогидродинамики состоит в том, чтобы установить запретные режимы полета, при которых имеют место вибрации, или разработать способы устранения вибрации и тряски.

Таковы основные технические задачи, решаемые аэрогидродинамикой в области авиации.

1.3Основные понятия аэрогидродинамики.

Классификация жидкостей и газов

Основные законы, применяемые в механике жидкости, те же, что и в механике твердого тела.

Однако применение этих законов в механике жидкости и в механике твердого тела имеет некоторое различие из-за различных свойств жидкости и твердых тел.

Поэтому изучение механики жидкости целесообразно начать с определения основных свойств жидкости.

Жидкости (в широком смысле слова) отличается от твердых тел легкой подвижностью частиц.

В то время, как для изменения формы твердого тела к нему нужно приложить конечные, иногда очень большие, силы изменение формы жидкости может происходить под действием даже самых малых сил, например, собственного веса.

Жидкость, как и всякое физическое тело, имеет молекулярное строение, т.е. состоит из отдельных частицмолекул, объем пустот между которыми во много раз превосходит объем самих молекул. Однако ввиду чрезвычайной малости не только самих молекул, но и расстояний между ними по сравнению с рассматриваемыми в аэрогидродинамике объемами жидкости молекулярное строение жидкости можно, в первом приближении, не учитывать и предполагать, что жидкость заполняет пространство без образования каких-либо пустот. Т.е. в первом приближении можно ввести гипотезу сплошности жидкой среды.

8

Эта гипотеза позволяет рассматривать характеристики жидкой среды как непрерывные функции пространства и времени.

Сточки зрения механических свойств жидкости разделяются на два класса: малосжимаемые (капельные) и сжимаемые (газообразные).

Сточки зрения физики капельная жидкость значительно отличается от газа.

Сточки зрения механики жидкости различие между ними не столь велико.

И часто законы, справедливые для капельных жидкостей, могут быть применимы к газам, когда сжимаемостью последних можно пренебречь.

В дальнейшем под словом "жидкость" будем понимать всякую среду, обладающую свойством текучести.

Капельные жидкости обладают вполне определенным объемом, величина которого практически не изменяется под действием сил.

Газы же, занимая все предоставляемое им пространство, могут значительно изменять объем, сжимаясь и расширяясь под действием сил.

Таким образом, капельные жидкости легко изменяют форму (в отличие от твердых тел), но с трудом изменяют объем (в отличие от газов), а газы легко изменяют как форму, так и объем.

Основные свойства жидкостей, существенные при рассмотрении задач механики жидкости – плотность и вязкость.

Для определения массовой плотности выделим в жидкости объем V . Обозначим массу этого объема через

m .

Под массовой плотностью условимся понимать,

исходя из гипотезы сплошности, следующую величину:

9

Под весовой плотностью условимся понимать величину

Соответственно свойству жидкостей и газов изменять в той или иной степени свой объем под действием давления или температуры жидкости разделяются на несжимаемые (т.е. такие, сжимаемостью которых можно пренебречь) и сжимаемые, или упругие.

К числу несжимаемых жидкостей принадлежит в частности, вода, которая при увеличении давления до 100 атм. изменяет лишь на 0.50/0 свой первоначальный объем.

В первом приближении при малых скоростях движения воздух можно рассматривать как несжимаемую жидкость.

При этом законы движения оказываются одинаково применимы как к жидкости, так и к воздуху.

Поэтому аэрогидродинамика, в которой пренебрегают сжимаемостью воздуха, часто называется гидродинамикой.

Помимо сжимаемости каждой реальной жидкости присуще свойство сопротивления деформациям сдвига.

Свойство оказывать сопротивление относительному перемещению рядом лежащих слоев среды называется вязкостью.

Вязкость обусловлена возникновением в движущейся среде сил внутреннего трения.

Причиной возникновения сил внутреннего трения в газах является обмен количеством движения между соседними слоями движущегося газа вследствие диффузии молекул.

Часть молекул одного слоя за некоторый промежуток времени проникает в другой слой. Если молекулы первого слоя обладают большим количеством движения, то, попадая во второй слой, они ускоряют движение последнего. В то же время такое же количество молекул, вследствие предполагаемого равновесного распределения молекул по

10