Anderson《空气动力学基础》5th读书笔记 第3记——流动类型
一、连续介质与自由分子流动
分子之间相互碰撞的平均距离定义为平均自由程 。如果平均自由程的数量级远小于飞行器的尺寸时,此时,分子对物体的碰撞如此频繁以至于物体无法分辨出单个的分子碰撞,这时,对物体表面而言流体是连续介质,这样的流动称为连续流动。而如果空气很稀薄时(高空),平均自由程的数量级与飞行器尺寸相差不多时,则物体能分辨出单个分子的碰撞,此时,我们把流动成为自由分子流动。当然,对于我们航空人来说,大多的问题都是连续流动,毕竟不是每一架飞机都能飞到九重云霄外的。
二、无黏流动和黏性流动
空气再流动时,伴随着摩擦、热传导或者扩散等,我们把这样的流动成为黏性流动,反之,没上述现象的则归为无黏流动。很不幸的是,大自然中所有的流动都是黏性流动,也就是雷诺数趋向于无穷大,这样,问题就复杂了,分子之间相互影响,计算量那是几何倍数增长啊,但我们懂得抓住主要矛盾呀。我们发现,只需将靠近翼型的薄薄的一层空气看作是黏性流动,而把这之外的看作是无黏流动就行,当然,这是有道理的:
(从图中我们可以看到,靠近翼型的气流速变小了,但在一定边界外,气流速率和来流速率相差无几,可以计算证明,边界层很薄,计算升力时我们可以自动无视它的存在)
根据此简化,我们可以很方便而且直观的计算出压力分布情况和升力大小。但带来的弊端是,我们无法通过此简化模型来计算阻力大小,因为飞行阻力很大部分来源于剪切力。
三、不可压缩流动和可压缩流动
我们把密度不变的流动称为不可压缩流动,把密度会变化的称为可压缩流动。同样不幸的是,世上没有严格不可压缩流动,但我们还是可以把速度低于0.3马赫数的流动近似看作不可压缩流动。
四、马赫数
如果流动中任意一点的马赫数都小于1,那么流动就是亚音速的,根据我们的经验,通常飞行马赫数小于0.8时,我们认为是亚音速的。而如果流动中如意一点的马赫数都大于1时,那么我们把此时的流动称为超音速的,根据经验,飞行马赫数大于1.2时,我们人为是超音速的。而介于这两者之间的飞行,我们定义为跨音速。有小伙伴可能会疑惑,为什么飞行数为1.2时还是跨音速流动。我们直到,当局部马赫数大于1时会出现激波,而气流通过激波会因为受到巨大的阻力而急剧减速,如果速度不够大的话就会降为亚音速,这也就是为什么跨音速的范围为0.8到1.2。高超音速则是定义为飞行马赫数大于5的飞行,此时,热力学占了上风,研究的问题也因此发生了变化。
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