学习任务第四课

空气流动的基本规律

1.空气的相对运动原理：

空气充满了地球表面四周的空间，构成了无人机的大气飞行环境。只要空气和物体之间有相对运动，空气就会对物体产生空气动力。物体在静止的空气中运动或气流流过静止的物体，如果两者相对速度相等，物体上所受的空气动力完全相等．这个原理就叫做“相对运动原理”。

例如：飞机以每小时800公里的速度在静止的空气中飞行；或者气流以每小时800公里的速度流过静止的飞机，在飞机上产生的空气动力完全相等。

2.运动的转换原理：

静止坐标系，坐标系固连于地球上，研究空气与飞行器间的相互作用；另一种是采用动坐标系，坐标系固连于飞行的无人机上，把无人机看做不动的物体，看空气的运动及其对飞行器的作用力。而这两种坐标系力学分析求得的结果是相同的，无人飞机的相对气流就是空气相对于无人飞机的运动，相对气流方向就是无人飞机飞行速度的反方向。这就是运动的转换原理。风洞实验就是建立在这一原理之上，让一定速度的气流吹过不动的飞行器模型，模拟无人机在天空飞行，大大简化了实验的技术。

风洞（wind tunnel）即风洞实验室，是以人工的方式产生并且控制气流，用来模拟飞行器或实体周围气体的流动情况，并可量度气流对实体的作用效果以及观察物理现象的一种管道状实验设备，它是进行空气动力实验最常用、最有效的工具之一。

1.流场的定义：★重点内容

流体流动所占据的空间称为流场。用以表征流体特性的物理量，如速度、温度、压强、密度等，称为流体的运动参数。实际上大气层就是一个很大的空气流场。

2.定常流动与非定常流动：

流场中任一固定点的所有流动参数都不随时间而变化的流动称为定常流动。流动参数（如速度、压强、密度等）随时间而变化的流动称为非定常流动。严格来说，定常运动是不存在的，因为在飞行过程中，随着燃油的消耗，无人机质量会减小，但是如果无人飞机运动参数随时间变化十分缓慢，则至少在一段时间内可近似认为运动参数不变，这就是通常所说的“准定常运动”。

3.迹线：

迹线是流场中流体质点在一段时间内中所走过的运动轨迹线。迹线是流场中实际存在的线，像是喷气式飞机喷出的白烟，烟囱冒出的烟都是迹线。

4.流线：

流线是某一时刻在流场中画出的一条空间曲线，在每一条曲线的各个点上，它的切线方向就是该点处空气微团的流动速度方向。流线是不

存在的，只是为了更形象直观描述空气的流动情况而做出的辅助线。

5.流线谱：★重点内容

由许多流线所组成的描述空气流动情况的图形称之为流线谱，一般分析无人飞机空气动力的产生和变化，就是从分析空气流过无人飞机的流线谱着手的。

                                                                                    流线谱示意图

                                         空气流过不同形状物体的流动情况不同，其流线谱也就不同

                               即使物体的形状相同，只要空气流向物体相对位置关系不同，流线谱也不同

6.流管和流束：

流场中任意取非流线的一封闭曲线，在该曲线上每一点做流线，由这许多流线所围成的管状曲面称为流管。充满在流管内的流体，称为流束。

一、静压

1、概念：由分子热运动产生的分子动能的一部分转化的能够对外做功的机械能叫静压能，用E表示（J/m³）当空气分子撞击到器壁上时就有了力的效应，这种单位面积上力的效应称为静压力，简称静压，用P表示（N/m²，及Pa）

2、特点：

（1）无论是静止的空气还是流动的空气都具有静压。

（2）风流中任一点的静压各向同值，且垂直作用面。

（3）风流静压的大小反映了单位体积风流所具有的能够对外做功的静压能的多少。

二、动压

1、概念：当空气流动时，除位压和静压外，还有空气定向运动的动能，其单位体积风流的动能转化显示的压力叫动压或称速压。

2、特点：

（1）只有做定向流动的气体才具有动压，因此 动压具有方向性

（2）动压总大于零。当作用面与流动方向有夹角时，其感受到的动压值将小于动压真值。故在测量动压时应使感压孔垂直于运动方向

（3）在同一流动断面上，由于风速的不均匀性，各点的风俗不相等，所以其动压值不等。

（4）某断面动压即为该断面平均风速计算值。

知识拓展

连续性定理：★重点内容

若流管的横截面积为A，流体密度为ρ，在横截面上的流速为v，那么Av就为流体的体积流量。流体的质量流量为q，等于流体密度乘以流体体积，用公式表达：

q=ρAv

当空气低速、连续不断地、稳定地流过一个粗细不等的流管时。由于流管中任一部分的流体都连续流动的，且都不能中断或堆积，因此根据质量守恒定律，在同一时间内，流过流管任意截面的流体质量应该相等，这就是流体的连续性原理：

连续性定理案例：

低速流体在一个管道中流动时，管道剖面小的地方流速大，管道剖面大的地方流速小。

伯努利定理：★重点内容

伯努利定理现象：流体在流动中，流速和压力之间存在着紧密的联系。在日常生活中有很多现象，像是两张纸中间吹气，两张纸会贴近，风吹过房子，会把屋顶掀飞。伯努利定理就是阐述流速与压力之间的关系。

伯努利定理定义：流体在流管中流动时，流速快的地方压力小，流速慢的地方压力大，这就是伯努利定理的主要内容。伯努利定理是能量守恒定律在空气动力学中的应用，它描述了空气动压、静压和总压之间的关系，其数学表达公式称为伯努利方程：

其中P_0为总压，1/2ρv^2为动压与流体运动方向一致；P为静压，作用在任意方向，当空气静止时，静压就是大气压。总压等于动压与静压之和。

由伯努利方程可以看出：在同一流管各切面流体动压与静压之和为总压，其数值为常数始终保持不变，所以动压大（速度大），则静压小，动压小（速度小）则静压大。

伯努利定理使用条件：伯努利原理只适用于流动连续、稳定的、不可压缩的理想流体。

总结：连续性定理和伯努利定理是空气动力学中两个最基本的定理，他们说明了流管截面、气流速度和压力三者的关系。综合这两个定理，可以得出以下结论：流体在变截面管道中流动时，横截面积小的流速快压强小，横截面积大的流速慢压强大。这一结论是机翼上空气动力产生的依据。

课后小结

空气的相对运动原理：

物体在静止的空气中运动或气流流过静止的物体，如果两者相对速度相等，物体上所受的空气动力完全相等．这个原理就叫做“相对运动原理”。

运动的转换原理：

无人飞机的相对气流就是空气相对于无人飞机的运动，相对气流方向就是无人飞机飞行速度的反方向。

连续性定理：

当空气低速、连续不断地、稳定地流过一个粗细不等的流管时。由于流管中任一部分的流体都连续流动的，且都不能中断或堆积，因此根据质量守恒定律，在同一时间内，流过流管任意截面的流体质量应该相等，这就是流体的连续性原理，

伯努利定理：

流体在流管中流动时，流速快的地方压力小，流速慢的地方压力大

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