飞机空气动力学（二）

飞机空气动力学（二）

随着飞机翼型的进一步复杂化，飞机速度进一步的提升，一种神秘的现象逐渐浮出水面，至今仍是高性能战机研制的重中之重，我们叫它——涡流。

上一篇文章讨论的机翼其实认为机翼是无限长的，没有考虑翼尖这个边界条件。事实上，当有限翼展的机翼产生正升力时，上表面压强小，下表面压强大，会有不可忽略的气流从下表面绕过翼尖流向上表面。这些气流把上表面的气流向中心挤压，使其具有朝向中心的速度分量；下表面的气流则向两侧拉伸，具有朝向两侧的速度分量。当上下两个表面的气流在翼后相聚时，不同的流动方向会使它们卷成一个个小涡流，构成了翼后涡面。

在中大型客机的翼尖部位，我们会看到竖起的两个小翼，称为翼梢小翼。它可以阻碍气流向上表面流动，削弱翼尖涡，使身后气流相对平缓，方便其它飞机飞行。尤其在起降繁忙的大机场，这种作用尤为重要。

回到下洗流，机翼在下洗流的吹拂下也会产生一个垂直于下洗流的升力，这个升力的垂直分量是升力的一部分，而它的水平分量则构成了一个不容忽视的阻力，我们称之为诱导阻力。飞机在低速下的阻力主要有摩擦阻力、由小涡流导致的压差阻力（上篇文章边界层分离那块）、诱导阻力。而翼尖小翼也可以减小诱导阻力。

2、后掠翼

如图，来流受到机翼的阻碍作用，Vn减小，气流向翼尖偏转，流过翼面上突处时Vn增大，气流向翼根偏转，随后，Vn再次减小，气流转向原来方向。流线成S状弯曲。

  这种S弯曲导致翼根处流管先粗后细，流速先慢后快，压力先大后小，升力中心向后方移动。称为翼根效应；翼尖处流管先细后粗，流速先快后慢，压力先小后大，升力中心向前移动，称为翼尖效应。无论翼尖还是翼根效应，都在机翼前部表现明显，所以翼根处整体上表面压力变大，升力变小，翼尖处整体上表面压力减小，升力变大。 

后掠翼上表面翼根压力比翼尖压力大，沿翼展方向存在压力差，这个压力差使气流向翼尖流动，流向翼尖的气流经过机翼的长距离摩擦，能量较小，加入翼尖气流后会降低翼尖气流能量，使边界层变厚，更容易发生边界层分离。另一方面，由于翼尖效应，翼尖前部压力变小，后部压力变大，气流流动中受到这个更大的逆压影响，更容易倒流，使边界层分离。综上，在迎角逐渐增大时，翼尖部位会先于翼根失速。虽然翼尖部分较小，不太影响总升力，飞机此时仍未到达临界迎角，但操控性已经下降，出现抖动，称为抖动迎角。大部分后掠翼翼尖较短，翼尖涡效应不明显，下洗流不明显，有效迎角更大，加剧了飞机性能的下降。

为了推迟翼尖失速，我们有以下几种做法：

3、三角翼

三角翼同样有较大的前缘后翼角，因此同后掠翼一样，也会有气流的S型流动和翼尖翼根效应。但与后掠翼不同的是，三角翼的前缘（也是侧缘）很长，下表面高压气流很容易翻到上表面来，降低上下表面压力差，导致升力下降，这就是三角翼低速时机动性下降的原因。

但是迎角也不能太大，迎角过大是，左右两侧的脱体涡相互靠近、干扰、破碎，机翼失速。

脱体涡中气流相互耦合，流速稳定，能提供稳定的负压区，产生额外的升力，称为涡升力，从而部分弥补气流上翻导致的升力下降，改善大迎角飞行性能，还能不断为边界层输入能量，显著增大临界迎角（可达30~40度）。

在接近地面时，机翼下表面气流受地面阻碍作用流速变慢，压力增大，还会导致一部分本应从下表面流过的气流改由上表面流过，上表面流速增大，压力减小，综上，飞机在靠近地面时升力会显著增加。

供稿人：可控猴聚变

参考文献：【1】柳文林，康小伟.飞机空气动力学【M】北京：北京

航空航天大学出版社，2022.