Аэродинамика самолета, страница 3

Также следует заметить, что плотность влажного воздуха меньше, чемсухого (при одних и тех же условиях). Поэтому иногда учитывают и влажность, вводя при этом в расчетысоответствующие изменения.С высотой плотность воздуха падает, так как давление в большей степени падает, чем понижаетсятемпература воздуха. В стратосфере (примерно с высоты 11 км и до 32 км) температура почти постоянна, ипоэтому плотность воздуха падает пропорционально уменьшению давленияМЕЖДУНАРОДНАЯ СТАНДАРТНАЯ АТМОСФЕРАИзменение основных параметров воздуха (давления, температуры и плотности) влияет на величинусил, возникающих при движении самолета в воздушном потоке.

Поэтому при полетах в разныхметеорологических и климатических условиях изменяются летные и аэродинамические характеристикисамолетов.Чтобы охарактеризовать летные и аэродинамические данные самолетов при одинаковых параметрахвоздуха, всеми странами принята единая Международная стандартная атмосфера (МСА). Таблица МСАсоставлена на основании среднегодовых условий средних широт (широта около 45°) на уровне моря привлажности нуль процентов и следующих параметрах воздуха:барометрическое давление В =760 мм рт. ст. (Ро= 10330 кгс/м2);температура t=+15°C (То=288 К);массовая плотность ρо=0,125 кгс см4;удельный вес - γ =1,225 кгс/см3.Согласно МСА температура воздуха в тропосфере падает на 6,5°С на каждые 1000 м.

В данномучебнике приводится часть таблицы МСА до высоты 5 км.Международная стандартная атмосфера используется при градуировании пилотажнонавигационных и других приборов, при инженерных и конструкторских расчетах.ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ВОЗДУХАНа характер обтекания самолета воздушным потоком и на величину сил, возникающих привзаимодействии частей самолета и воздушного потока, существенное влияние оказывают физическиесвойства воздуха: инертность, вязкость, сжимаемость.Инертность - свойство воздуха сопротивляться изменению состояния покоя или равномерногопрямолинейного движения (второй закон Ньютона). Мерой инертности является массовая плотностьвоздуха.

Чем больше массовая плотность воздуха, тем большую силу необходимо приложить к воздуху,чтобы вывести его из состояния покоя или равномерного прямолинейного движения. Следовательно, чембольше сила самолета, действующего на воздух, тем больше сила, действующая со стороны воздуха насамолет (третий закон Ньютона).АЭРОДИНАМИКА САМОЛЕТА10Вязкость-свойство воздуха сопротивляться взаимному сдвигу частиц. Молекулы воздуха обладаютопределенной скоростью беспорядочного хаотического движения, зависящего от температуры, а такжескоростью общего поступательного движения. Попадая из быстро движущегося слоя в медленный,молекулы ускоряют движение медленно движущихся молекул, и наоборот - медленно движущиесямолекулы, попадая в быстро движущийся слой воздуха, притормаживают быстро движущиеся молекулы.При движении самолета в воздушном потоке возникает сопротивление трения, которое определяетвязкость воздуха.

Вязкость воздуха также определяет динамический коэффициент вязкости Чем большетемпература воздуха, тем больше коэффициент вязкости, обусловленный увеличением хаотическогодвижения молекул и ростом эффективности воздействия одного слоя воздуха на другой.Сжимаемость - свойство воздуха изменять свою плотность при изменении давления.Самолеты Як-52 и Як-55 летают на скоростях менее 450 км/ч, при которых существенногоизменения давления при обтекании самолета воздушным потоком не происходит и сжимаемость воздуха нааэродинамические характеристики и летные данные самолетов влияния практически не оказывает.СЖИМАЕМОСТЬ ВОЗДУХА И СКОРОСТЬ ЗВУКАПомимо стационарных движений газовых потоков в аэродинамике изучаются и некоторыенестационарные процессы, например образование и распространение звуковых волн.Способность воздуха сжиматься объясняется большими расстояниями между молекулами. Так как улюбого газа (а следовательно, и воздуха) межмолекулярные силы сцепления малы, то газ, всегда стремясьрасшириться, занимает весь предоставленный ему объем.Таким образом, воздух при изменении объема или сжимается или расширяется.

При этомсоответственно изменяется и его плотность: при увеличении объема она уменьшается, а при уменьшенииувеличивается. Количественно сжимаемость оценивается отношением изменения плотности Δρ кΔρизменению давления ΔР, т. е. их относительной величиной. ΔΡ .Это отношение будет являться меройΔρ,сжимаемости.

Чем больше отношение ΔΡ тем больше сжимаем этот газ (или воздух).Со сжимаемостью связана скорость распространения в воздухе звуковых волн.Под звуковыми волнами следует понимать всякие малые возмущения плотности и давления,распространяющиеся в воздухе, а под скоростью звука - скорость распространения этих возмущений.СКАЧКИ УПЛОТНЕНИЯРассмотрим картину распространения звуковых волн (малых возмущений) при движении источникавозмущений (источника звука).Рис. 4 Распространение волн слабых возмущений иг источников возмущений, движущихся сразличными скоростямиЕсли источник возмущений неподвижен, то волны будут распространяться с одинаковой скоростьюво все стороны в виде концентрических сфер, в центре которых находится источник возмущения.

Каждоевозмущение (звуковая волна) представляет собой местное уплотнение молекул воздуха, которое передаетсяот одного слоя молекул к другому, удаляясь от источника возмущения (Рис. 4, а).При движении точечного источника возмущения со скоростью, меньшей скорости звука, звуковыеволны идут как вперед, так и назад (Рис. 4, б). В результате сферические волны будут смещены в сторону,обратную движению источника возмущений, однако источник останется внутри сфер.Если скорость движения точечного источника возмущений сравняется со скоростью звука, товозмущения, вызванные источником, не успевают уйти от источника и в месте нахождения источникавозмущений в каждый данный момент происходит наложение возмущений друг на друга.

Образовавшаяся врезультате этих наложений фронтальная поверхность разделяет пространство на две области: возмущенную(сзади источника) и невозмущенную (перед источником), как показано на Рис. 4, в.АЭРОДИНАМИКА САМОЛЕТА11При движении точечного источника возмущений со скоростью, превышающей скорость движениязвуковой волны (скорость звука), возмущения, им создаваемые, должны оставаться позади источника (Рис.4, г).

Область, в которой распространяются малые возмущения от точечного источника возмущений,называется конусом слабых возмущений. Внутри конуса среда возмущена, вне конуса находится область,где возмущений от данного источника нет. Поверхность конуса служит естественной границей,разделяющей среду на две области - возмущенную и невозмущенную.

Эту поверхность называют граничнойволной слабых возмущений или границей возмущений. Граничные волны слабых возмущений образуютсяпри движении со скоростью, превышающей скорость звука не только материальной точки, но и тонких тел сострой передней кромкой, а также при обтекании сверхзвуковым потоком поверхностей крыла, фюзеляжа идругих частей самолета.

Угол ϕ между границей возмущений и направлением движения источникавозмущений называется углом малых возмущений.ОСНОВНЫЕ ЗАКОНЫ ДВИЖЕНИЯ ВОЗДУХАОСНОВЫ МОЛЕКУЛЯРНО-КИНЕТИЧЕСКОЙ ТЕОРИИВсе вещества (твердые, жидкие, газообразные) состоят из молекул. Молекула - это частица,обладающая свойствами вещества.Установлено, что при температуре нуль градусов и атмосферном давлении 760 мм рт.

ст. в каждом1 см3 содержится 2,7-1019 молекул, а линейный размер молекулы составляет (имеет порядок) 1*10-8 мм.Состояние вещества (твердое, жидкое, газообразное) характеризуется расстоянием междумолекулами. Все молекулы имеют свойство взаимного притяжения и отталкивания, зависящее отрасстояния между ними.У твердых тел расстояния между молекулами очень малы и силы взаимного притяжения молекулвелики.

Молекулы совершают незначительные колебательные движения. У жидких веществ расстояниямежду молекулами больше, они движутся в разных направлениях. Но силы притяжения еще достаточновелики и молекулы не отрываются друг от друга.У газообразных веществ расстояния между молекулами значительно больше самих молекул,взаимное притяжение очень мало, молекулы движутся в различных направлениях и с различной скоростью.При движении молекулы испытывают около нескольких миллиардов столкновений в секунду, меняя приэтом направление и скорость.Каждая молекула при поступательном движении обладает кинетической энергиейЕ кин =тV 2,2где Екин - кинетическая энергия молекулы, Дж;m - масса молекулы, кг;V - скорость движения молекулы, м/с.Если в уравнение Клаузиуса (1.1) (основное уравнение молекулярно-кинетической теории газов)подставить значения уравнения Бойля-Мариотта - Гей-Люссака (1.2)2Е кин ,3Pv = RT ,Pv =то получим:Е кин =(1.1)(1.2)3RT ,2(1.3)где Екин-кинетическая энергия, Дж;R-газовая постоянная, Дж/кг К (или кгс м/кг трад);Т - температура, К;v-удельный объем воздуха, м3кг.≈Разделив R на No (число Авогадро, показывающее число молекул в грамм-молекуле газа и равное6,02•1023 1/моль), получим отношение, которое называется постоянной Больцмана К, равная 5,67 гс-3К-4.Подставим К в уравнение (1.3), получим уравнение кинетической энергии одной молекулы газа.АЭРОДИНАМИКА САМОЛЕТАЕ кин =123КТ .2(1.4)Энергия всех молекул вместе рассматривается как внутренняя энергия вещества.

При понижениитемпературы вещества (газа) энергия хаотически движущихся молекул понижается. Из уравнения можносделать вывод, что кинетическая энергия молекул зависит только от температуры газа и не зависит отизменения объема, в который газ заключен.Согласно молекулярно-кинетической теории воздух рассматривается как совокупность большогоколичества молекул.

Свободный пробег молекул по сравнению с размерами частей самолета ничтожно мал,поэтому воздух рассматривают как сплошную среду, в которой отдельные частицы соприкасаются друг сдругом. Частица воздуха - это огромное скопление молекул, которые находятся в хаотическом движениинезависимо от того, находится ли частица в движении или в покое. Средняя скорость молекул,составляющих частицу, отличается от средней скорости хаотического движения на величину скоростидвижения частицы в данной среде и в данном направлении.УСТАНОВИВШИЙСЯ ВОЗДУШНЫЙ ПОТОКУстановившимся воздушным потоком называется такое течение воздуха, при котором скоростьпотока в любой точке, а также основные параметры (давление, температура и плотность) не изменяются стечением времени.