自由流

自由流

空氣動力學術語
自由流是指飛機前未經擾動的來流,也即沒有飛機等幹擾時,空氣的自然流動現象。空氣是由多種其他的混合物構成。空氣可認為是無數獨立的分子組成,他們都處于劇烈的運動狀态。氣體的溫度是衡量這種運動劇烈程度的一種尺度,溫度低時分子運動比溫度高時要緩慢。運動的分子碰撞到浸沒在其中的物體,産生了氣體壓力。空氣會從密度高向密度低的地方流動,也就是大氣壓強高的向大氣壓強低的地方流動。太陽輻射會改變溫度,溫度改變會改變空氣的密度和壓力,空氣流動能量來源就是太陽。
  • 中文名:自由流
  • 外文名:free stream
  • 适用領域:
  • 所屬學科:空氣動力學
  • 分類:非定常自由流和定常自由流
  • 特點:無飛機等人為幹擾
  • 定義:飛機前未經擾動的來流

空氣流動

空氣會從密度高向密度低的地方流動,也就是大氣壓強高的向大氣壓強低的地方流動。

太陽輻射會改變溫度,溫度改變會改變空氣的密度和壓力,空氣流動能量來源就是太陽。

風是由空氣流動引起的一種自然現象,它是由太陽輻射熱引起的。太陽光照射在地球表面上,使地表溫度升高,地表的空氣受熱膨脹變輕而往上升。熱空氣上升後,低溫的冷空氣橫向流入,上升的空氣因逐漸冷卻變重而降落,由于地表溫度較高又會加熱空氣使之上升,這種空氣的流動就産生了風。

從科學的角度來看,風常指空氣的水平運動分量,包括方向和大小,即風向和風速;但對于飛行來說,還包括垂直運動分量,即所謂垂直或升降氣流。大風可移動物體與物體(物質質量)方向。風的速度很快。

定義

自由流是指飛機前未經擾動的來流,一般用下标表示。

影響

非定常自由流的影響

而現代的幾次局部戰争的經驗告訴我們,空戰中最頻繁發生的是低空和超低空近距空戰。為了使飛機保持高機動性和敏捷性,則必須采用過失速機動技術,使飛機具有在超過失速迎角後仍能做可控飛行的能力。飛機在實施過失速機動過程中,迎角會大大超過失速迎角,此時,氣動力呈現高度非定常、非線J陛特性,深入研究飛機的大迎角動态氣動特性,對實現飛機過失速機動飛行是十分重要的。國内外在大迎角非定常空氣動力學領域進行了較深入研究,特别是在風洞實驗技術方面,建成了許多大振幅動态實驗裝置,以模拟飛機的機動飛行。但這些模拟實驗隻模拟了飛機機動飛行時姿态的變化,而忽略了風速變化對氣動力産生的影響。實際上飛機在實施過失速機動飛行過程中,伴随着飛行姿态的變化其飛行速度發生很大變化。有研究表明,在完成“眼鏡蛇”機動飛行過程中,飛行速度減小值可達100~200km/h。因此在研究飛機動态氣動特性時,必須考慮風速變化帶來的影響。另外,在民航飛行方面,由于大氣紊流的影響(如陣風),可能使飛機迎角超過失速迎角,發生失控,以至造成機毀人亡的空難事故,因此進行非定常自由來流對飛機氣動特性的影響研究是十分必要的。

相關試驗結果表明,由于在減速過程中,集中渦的破碎位置推後,在加速過程中,集中渦的破碎位置前移,因此使得模型氣動力發生變化,并且随迎角增大,風速脈動的影響增大。當迎角一定,來流風速脈動頻率一定時,随脈動幅值的增大,升力系數增大;當迎角一定,來流風速脈動幅值一定時,随脈動頻率增大,升力系數也增大。以上結果也說明,當集中渦在翼面上破碎時,其位置的變化受氣流脈動的影響很大,從而對氣動力将産生很大的影響,因此進一步研究飛機在機動飛行過程中,風速脈動的影響也将是十分必要的。

自由流對後掠平闆邊界層内的影響

在邊界層流中的感受性問題一直是層流向湍流轉換研究的熱點問題之一,而真實的轉扳過程大多發生在三維邊界層流中:後掠平闆邊界層是一種典型的三維邊界層,研究其感受性過程具有相當重要的理論意義和實際價值。南京信息工程大學沈露予等構造的數值計算方法是在時間偏導數上采用四階修正後的Runge-Kutta格式以及空間偏導數采用變間距的緊緻有限差分,即對流項采用五階精度迎風緊緻有限差分格式,壓力梯度項采用六階精度緊緻有限差分,粘性項采用六階精度緊緻有限差分格式;壓力方程則采用三階精度的變間距有限差分格式逼近;并建立了自由來流湍流模型。在上述基礎上,數值研究了在自由來流湍流作用下後掠平闆(後掠角為450)邊界層内的感受性問題。數值結果顯示,将在自由來流湍流作用下後掠平闆邊界層内激發出的一組不同頻率小擾動行進波的色散關系、相速度、幅值和增長率等數值結果與流動穩定性中的線性理論解比較,發現後掠平闆邊界層流中被誘導出的一組不同頻率小擾動行進波就是一組非定常橫流渦。随後,又發現若雷諾數Rex越小在自由來流湍流作用下後掠平闆邊界層内感受性過程就越容易發生;也就是說無限薄後掠平闆邊界層計算區域的上遊邊界越靠近前緣,其無限薄後掠平闆邊界層的非平行性效果越明顯就越有利于邊界層内感受性過程的發生,且考慮平闆前緣駐點影響情況下後掠平闆邊界層内被激發的感受性系數最強;以及低頻擾動激發後掠平闆邊界層内的感受性系數比高頻擾動要強。

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