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无(wú)人机重要(yào)参数(shù)之升力(lì)

 

升力(lì)和阻力是无人机的两(liǎng)个很重要的参(cān)数,是在与空气的相对运(yùn)动(dòng)中(相对气(qì)流)产生的(de)。升力来源于机翼上、下表面的气压差,此气压差是(shì)由气流的速(sù)度导致的。但机(jī)翼(yì)上、下表面气流的速(sù)度差的成因(yīn)解释较为(wéi)复杂,下面(miàn)结(jié)合空气动力(lì)特性与基本规律(连(lián)续性(xìng)定(dìng)理、伯努利原理)介绍(shào)升力的产生。

(1)连续性定理。当流体连续不断而稳定地流过一个粗细不等(děng)的流(liú)管时(shí),在管道粗的(de)地方流速比较慢,在管道细的(de)地方流速(sù)比较快。这是由于管中任何(hé)一部分的流体(tǐ)既不能中(zhōng)断也不能堆积,因此在同一时(shí)间,流进任(rèn)一截(jié)面的(de)流(liú)体质量(liàng)和从另一截面流出(chū)的流体质(zhì)量(liàng)应该相等(děng)。这(zhè)就是质量守恒(héng)定律。

在单(dān)位时间内,流过任一截面的流体体积等于流体流过该截面的速度(dù)乘以该截面的面积,而体(tǐ)积(jī)与流体密度相(xiàng)乘,即为单位时(shí)间(jiān)内流过该截面的流(liú)体(tǐ)质量。即:

m=pvA

式中 m——单位时间内流(liú)过任一截面的流体质量

P——流体密度(dù),kg/m³

V——流体速(sù)度(dù),m/s

A——所(suǒ)取截面面积,m²。

p1v1A1=p2v2A2=常(cháng)数

这就是质(zhì)量方程或连续方程。它说明通(tōng)过流管各截面(miàn)的质量流量必(bì)须相等。对于(yú)不可(kě)压(yā)缩流体,p1=p2=常数,上式变为

v1A1=v2A2

可知,对于不(bú)可(kě)压(yā)缩流体来说,通(tōng)过(guò)流(liú)管各横截(jié)面的体积流量必须相等。上式表明,流体流速的(de)快慢与管道(dào)截面的大小成反比,这就是“连续性定理”。即流管横(héng)截面变(biàn)小(xiǎo),平均流速将增大;反之,流(liú)管(guǎn)横(héng)截面变大,平均流速将(jiāng)变(biàn)小。日(rì)常所(suǒ)见的山谷里的风通常比开阔平原的(de)风大;在河床浅而窄的地段,河水流得比较(jiào)快,在河床(chuáng)深而宽的地段,河水(shuǐ)流得比较慢,就是遵循了连(lián)续(xù)性定理。

(2)伯(bó)努利原理。伯(bó)努利原(yuán)理是研究气流(liú)特性和空气动力之所(suǒ)以产生和变化的基本原理(lǐ)之一。1738年,瑞士物理学家(jiā)丹尼尔·伯努利(lì)阐明了流体在流动中的压力与(yǔ)速度(dù)之(zhī)间的关系,后(hòu)来(lái)科(kē)学界称(chēng)之为伯努(nǔ)利原理。即流体速度大的地方压(yā)力(lì)小(xiǎo),流速小的地方压力大,这(zhè)就是流速与压(yā)力之(zhī)间的关系,也(yě)就是伯努利原理的基本定义。例如,在两张(zhāng)纸片中(zhōng)间吹(chuī)气,两纸不(bú)是(shì)分开,而(ér)是(shì)相互靠拢。

伯(bó)努利原(yuán)理是能量守恒(héng)定(dìng)律在(zài)流体力(lì)学(空气流动过程(chéng))中的推广(guǎng)应(yīng)用。在(zài)低速流动空气中,参与转换的能(néng)量(liàng)有两种(zhǒng):动能和压力(lì)能(néng)。气流一流动,就有动能产生,流动速度越大(dà),动能越大。一(yī)定质量的(de)空气,具(jù)有一定的压力(即静(jìng)压),静压越大,压力(lì)能越(yuè)大(dà)。根(gēn)据(jù)能量(liàng)守恒定律,气流稳定(dìng)流过(guò)一条流管时,如果没有外界能量(liàng)的加入,也就(jiù)没(méi)有能量的损(sǔn)失,气(qì)流流动过(guò)程中的(de)总能(néng)量始(shǐ)终是不变(biàn)的。即:动能+压力能=常量。

但(dàn)是流(liú)体动能与压力能是可以互相(xiàng)转换的(de),当流(liú)速变小时(shí),动能减小(xiǎo),压力能却增大(dà),表(biǎo)现为压强增大(dà)。流速增(zēng)大时,动(dòng)能增加啊,压力能(néng)就(jiù)要减小(xiǎo),表现为压强(qiáng)减小。这就是(shì)流(liú)速减小,压强(qiáng)升高,流速增大,压强降(jiàng)低的根本原因。

应当注意(yì),以上定理在下述条件下(xià)才成(chéng)立。

1)气流是连续的、稳定的。

2)流动(dòng)中的空(kōng)气与外界没有能量(liàng)交换。

3)气流(liú)中没有摩擦,或摩擦很小,可以忽略不(bú)计。

4)空气的密度(dù)没有变(biàn)化(huà),或(huò)变化很小,可认为不(bú)变。

(3)升力的(de)产生(shēng)。综合连续性定理(lǐ)和伯(bó)努利(lì)原理,可(kě)总结出(chū)如下结论:流管(guǎn)变(biàn)细(xì)的地(dì)方,流速(sù)大,压力小;反之,流(liú)管变粗的地方,流速小,压力大(dà)。根据这一结论(lùn),就可初步说明机翼上产生升力的原因了。

从空(kōng)气动力角度看(kàn),飞机的几何外形有机翼、机身和尾(wěi)翼[分水平尾翼(简称(chēng)平(píng)尾)和垂(chuí)直尾翼(简称立尾)]等只要部(bù)件共同构成。飞(fēi)机的(de)升力绝(jué)大部分是由机(jī)翼产生,尾翼通常是产生负升力,飞机其他(tā)部分(fèn)产生的(de)升力很小,一般不考(kǎo)虑。

空气流(liú)到机翼前缘,分成上、下两股气流,分别沿机翼上、下表面流过,在机翼后缘重新汇合向(xiàng)后(hòu)流去。机翼(yì)上(shàng)表面比较凸出,流管较(jiào)细,说明流速加快,压力降低。而机翼下表面,气(qì)流受阻挡作用,流管变(biàn)粗,流速(sù)减慢,压力增大(dà)。这里就(jiù)引用(yòng)到了上述两个定理(lǐ)。于(yú)是机翼(yì)上(shàng)、下(xià)表面出(chū)现(xiàn)了压力差,垂(chuí)直于相(xiàng)对(duì)气流方向的压力差的总和就是机翼的升力。这样,重于空气的(de)飞(fēi)机借助机翼上获得的(de)升(shēng)力克(kè)服自身因地球引力形(xíng)成的重力(lì),从(cóng)而翱翔(xiáng)在蓝天上了(le)。

机翼升(shēng)力(lì)的(de)产生(shēng)主要靠上表面吸力的作用(yòng),而不是靠下表(biǎo)面正(zhèng)压(yā)力的(de)作用,一(yī)般机翼(yì)上表(biǎo)面(miàn)形成的吸力占总升力的60%~80%,下表(biǎo)面的正压形成的升力只占总升力的20%~40%。 

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