技术资讯 I 飞机机翼的工作原理：应用航空学

本文要点

 

飞机机翼在飞行过程中会受到三到四个力的作用。

流体流过机翼产生升力，使飞机能够上升和巡航。

升力和作用在机翼上的其他力的大小取决于机翼的形状和方向。

 

我们可能在直觉上认为飞机机翼负责让飞机在空中一直飞行。但在飞行过程中机翼是如何产生升力的呢？本文将介绍飞机机翼的工作原理——在基础层面上，解释飞行原理时并不涉及复杂的数学计算；而要进一步了解更复杂的行为，则需要借助 CFD 仿真来计算和可视化复杂系统中的流体流动。

 

 

01

飞机机翼的工作原理

 

所有飞机机翼运行起来依靠的都是一些简单的原理，涉及流体在顶部和底部表面的流动。在飞行过程中，飞机机翼上的气流将产生四个主要空气动力中的两个。首先，我们需要通过一张简单的自由体示意图来介绍作用在机翼上的力。在下图中，有两个主要的空气动力作用在机翼上。升力和阻力与迎角（机翼的方向）、机翼的形状以及空气在机翼上的流速直接相关。

 

机翼形状、升力和阻力。

 

在飞行过程中，共有四种主要的空气动力作用在飞机上。分别是：

 

1

升力

升力是由流过机翼的流体产生的，它抵消了重力，由经过机翼下方的气流产生。

2

阻力

当流体沿着飞机的机身流动时，由于沿机翼表面摩擦，流体产生了阻力。此外还有压差阻力，它阻碍飞机向前运动。

3

推力

喷气发动机驱动的飞机使用推力来产生创造升力所需的相对速度。直升机没有喷气推进器，而是依靠旋翼叶片的运动来产生所需的升力。

4

重力

飞机具有一定的重量，所有的飞机都会受到重力的影响。重力的方向始终向下。

 

现在我们已经定义了这四个力，下面必须从流体流动的角度来理解其中的两个力：升力和阻力。这两个力与周围空气穿过机翼的相对速度有关。当空气流过机翼时，它的流速和流动密度将决定作用在飞机上的主要的力。

 

阻力

阻力会使飞机减速，以两种形式出现：压差阻力和表面摩擦阻力。压差阻力基于飞机的形状，与飞机迎风的速度有关，在飞机的前面形成了一个高压区。压差阻力会抵消推力，机身上的低剖面设计有助于减少压差阻力。

 

作用在飞机机翼上的表面摩擦阻力更为显著。这种力是由于在飞机的顶部和底部表面形成了一个边界层。理想情况下，我们希望边界层中的流体流动始终是层流式的。然而，随着飞机速度增加，边界层中的流体流动将变得不稳定，沿着机翼后缘形成涡流。根据迎角和空气速度的不同，涡流的形成将产生过大的阻力，极大地阻碍推力和升力。

 

升力

流经机翼的流体会产生升力，因为机翼顶部和底部的流速是不同的。沿着机翼底部的风速较慢，在机翼下方形成一个高压区。由于机翼横截面处存在压力梯度，这就产生了一个垂直净力。上图直观地展示了一个简单的机翼。

 

在数学上，机翼产生的压力梯度取决于几个因素，直接计算机翼顶部和底部的风速可以得出压力大小。知道风速之后，就可以用伯努利原理分析对压力梯度的影响。压力梯度也可以直接计算得出，但需要求解流体力学中的主要运动方程。

 

02

机翼设计需要借助仿真
 

 

机翼的尺寸、截面形状和方向各不相同，这将产生不同的升力和阻力。此外，迎角将决定升力的大小，以及飞机在失速发生前的最大爬升速度。由于在飞机机翼设计中涉及到许多参数，并且基本方程可能相当复杂，通常会使用 CFD 仿真来模拟作用于飞机的气流和升力。这是飞机设计的一个重要部分，需要借助合适的仿真软件来采用先进的数值技术，从而求解流体动力学的主要方程。

 

无论是学习飞机机翼的工作原理，还是设计先进的航空系统，都可以使用 Cadence 的整套 CFD 仿真软件来模拟流体行为和由此产生的空气动力学力。网格划分工具 Pointwise 可从物理设计数据中生成数值网格，Omnis 3D Solver 仿真应用则采用了先进的数值方法，以确定系统中的流体行为。这两款应用是系统设计师的得力助手，提供了用于设置和运行 CFD 仿真所需的一切功能。