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库塔-茹科夫斯基条件

科普小知识2022-10-01 13:14:05
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在真实且可产生升力的机翼中,气流总是在后缘处交汇,否则在机翼后缘将会产生一个气流速度为无穷大的点。这一条件被称为库塔条件,只有满足该条件,机翼才可能产生升力。在理想气体中或机翼刚开始运动的时候,这一条件并不满足,粘性边界层没有形成。通常翼型(机翼横截面)都是上方距离比下方长,刚开始在没有环流的情况下上下表面气流流速相同,导致下方气流到达后缘点时上方气流还没到后缘,后驻点位于翼型上方某点,下方气流就必定要绕过尖后缘与上方气流汇合。由于流体粘性(即康达效应),下方气流绕过后缘时会形成一个低压旋涡,导致后缘存在很大的逆压梯度。随即,这个旋涡就会被来流冲跑,这个涡就叫做起动涡。根据亥姆霍兹漩涡守恒定律,对于理想不可压缩流体在有*的作用下翼型周围也会存在一个与起动涡强度相等方向相反的涡,叫做环流,或是绕翼环量。环流是从翼型下表面前缘流向上表面前缘的,所以环流加上来流就导致后驻点最终后移到机翼后缘,从而满足库塔条件。

中文名:库塔-儒可夫斯基后缘条件

表达式:L(升力)=ρVΓ(气体密度×流速×环量值)

提出者:库塔、儒可夫斯基

提出时间:公元1902-1906年

应用学科:流体力学

适用领域范围:航空器设计

1、内容

后缘条件

根据Kutta、儒可夫斯基升力环量定律,对于定常、理想、不可压流动,在有*作用下,直均流绕过任意截面形状的有环量绕流,翼型所受的升力为


需要说明的是,不管物体形状如何,只要环量值为零,绕流物体的升力为零;对于不同的环量值,除升力大小不同外,绕流在翼型上前后驻点的位置不同。这就是说对于给定的翼型,在一定迎角下,按照这一理论绕翼型的环量值是不定的,任意值都可以满足翼型面是流线的边界条件。但实际情况是,对于给定的翼型,在一定的迎角下,升力是唯一确定的。这说明对于实际翼型绕流,仅存在一个确定的绕翼型环量值,其它均是不正确的。那么,如何确定这个环量值,可从绕流图画入手分析。

当不同的环量值绕过翼型时,其后驻点可能位于上翼面、下翼面和后缘点三个位置的流动图画。后驻点位于上、下翼面的情况,气流要绕过尖后缘,势流理论得出,在该处将出现无穷大的速度和负压,这在物理上是不可能的。因此,物理上可能的流动图画是气流从上下翼面平顺地流过翼型后缘,后缘速度值保持有限,流动实验也证实了这一分析,Kutta、儒可夫斯基就用这一条件给出确定环量的补充条件。

后缘条件表达

库塔-儒可夫斯基后缘条件表达如下:


(1)对于给定的翼型和迎角,绕翼型的环量值应正好使流动平滑地流过后缘去。(2)若翼型后缘角>0,后缘点是后驻点。即V1=V2=0。(3)若翼型后缘角=0,后缘点的速度为有限值。即V1=V2=V0。(4)真实翼型的后缘并不是尖角,往往是一个小圆弧。实际流动气流在上下翼面靠后很近的两点发生分离,分离区很小。所提的条件是p1=p2V1=V2

环量的产生与后缘条件的关系

根据海姆霍兹旋涡守衡定律,对于理想不可压缩流体,在有*作用下,绕相同流体质点组成的封闭周线上的速度环量不随时间变化。dG/dt=0。翼型都是从静止状态开始加速运动到定常状态,根据旋涡守衡定律,翼型引起气流运动的速度环量应与静止状态一样处处为零,但库塔条件得出一个不为零的环量值,这是乎出现了矛盾,如何认识呢。环量产生的物理原因如何。

为了解决这一问题,在翼型静止时,围绕翼型取一个很大的封闭曲线。

(1)处于静止状态,绕流体线的速度环量为零。

(2)当翼型在刚开始启动时,因粘性边界层尚未在翼面上形成,绕翼型的速度环量为零,后驻点不在后缘处,而在上翼面某点,气流将绕过后缘流向上翼面。随时间的发展,翼面上边界层形成,下翼面气流绕过后缘时将形成很大的速度,压力很低,从有后缘点到后驻点存在大的逆压梯度,造成边界层分离,从产生一个逆时针的环量,称为起动涡。

(3)起动涡离开翼缘随气流流向下游,封闭流体线也随气流运动,但始终包围翼型和起动涡,根据涡量保持定律,必然绕翼型存在一个反时针的速度环量,使得绕封闭流体线的总环量为零。这样,翼型后驻点的位置向后移动。只要后驻点尚未移动到后缘点,翼型后缘不断有逆时针旋涡脱落,因而绕翼型的环量不断增大,直到气流从后缘点平滑流出(后驻点移到后缘为止)为止。

结论

由上述讨论可得出:

(1)流体粘性和翼型的尖后缘是产生起动涡的物理原因。绕翼型的速度环量始终与起动涡环量大小相等、方向相反。(2)对于一定形状的翼型,只要给定绕流速度和迎角,就有一个固定的速度环量与之对应,确定的条件是库塔条件。(3)如果速度和迎角发生变化,将重新调整速度环量,以保证气流绕过翼型时从后缘平滑汇合流出。(4)代表绕翼型环量的旋涡,始终附着在翼型上,称为附着涡。根据升力环量定律,直匀流加上一定强度的附着涡所产生的升力,与直匀流中一个有环量的翼型绕流完全一样。

2、历史

Kutta(1867-1944),德国数学家,1902年提出翼型绕流的环量条件。

儒可夫斯基(1847-1921),俄国物理学家,1906年独立提出该条件。

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