升力讲解 (升力的奥秘)

升力知识点,升力讲解3分钟

大鹏展翅九万里

升力,老话题了,早在飞机诞生之前的好几百年就有人开始关注和研究了。如今地球人都知道,机翼产生升力。但是,机翼是如何产生升力的,人们的认识不尽相同,科学家们依然在研究。

当下的解释是这样的:

升力知识点,升力讲解3分钟

水平气流流过非对称翼型的流动情形

如图,水平气流流过非对称翼型。翼型,是机翼的剖面形状。图中是非对称翼型,上表面凸起,下表面平坦。迎面气流流过机翼时,上表面路程较长,下表面路程较短,为了同时到达机翼后缘以保持流量连续,上表面流速较快,下表面流速较慢。着眼机械能守恒,依据伯努利原理,流速快,压力小;流速慢,压力大。于是,机翼上下表面的压力差在垂直于气流方向上的分量,就是机翼的升力。

这种解释有毛病吗?

有!主要是三个问题:

一是上述解释局限于非对称翼型。非对称翼型只是翼型的一部分,不是全部。因此,上述解释不能覆盖所有机翼。

二是不满足伯努利原理的适用条件。上述解释的基础和核心是伯努利原理,使用伯努利原理必须满足三个条件:流量连续、流体不可压缩、流体无粘性。观察表明流过机翼表面的气流并不总是同时到达机翼后缘。低速流动(马赫数小于3)可以近似认为流体不可压缩,高速流动必须考虑流体的密度变化。至于粘性,后面将会看到分析机翼升力的产生恰恰要用到流体的粘性。

升力知识点,升力讲解3分钟

飞机采用非对称翼型也可以倒飞

三是核心观点不成立,非对称翼型不是机翼产生升力的必要条件。证明一个命题,必须满足所有可能。否定一个命题,只需要一个反例。平板翼型和飞机倒飞都是反例。风筝采用的是平板翼型,飞机即便是采用非对称翼型也可以倒飞,这些都说明非对称翼型以外的其它翼型也可能产生升力。

长期以来,国内外的教科书和学术著作几乎都沿用了上述解释。笔者所接受的专业教育也是如此。进入21世纪以来,陆续有人提出了质疑,并试图建立新的更完美的解释。

截至目前,最新的解释是这样的:

升力知识点,升力讲解3分钟

水平气流流过正迎角翼型的流动情形

如图所示,当机翼迎角大于零时,也即机翼前后缘连线与前方气流方向之间的夹角大于零时,气流流过机翼上下表面时都会沿机翼表面向下方偏斜,说明气流受到了向下的作用力(依据牛顿第一定律),与此同时气流也会给机翼一个向上的反作用力(依据牛顿第三定律),这个反作用力就是机翼的升力。

随着迎角的增大,气流流过机翼时下偏斜得更多,机翼产生的升力也就更大。直至临界迎角,达到峰值。之后因上翼面气流严重分离,升力不增反降。

问题是气流流过机翼时,为什么会沿机翼表面向下偏斜?

机翼下表面好理解,气流受到了下翼面的阻滞,被迫向下偏斜。

机翼上表面的情况则要复杂得多,涉及到了气体的粘性。如图所示,气体是有粘性的,紧贴机翼表面(红色部分的外缘)存在着一个速度渐增的附面层(黄色部分),附面层内气流速度从零开始,由内向外逐渐增大,直至等于主流速度(圆形为附面层局部放大)。

升力知识点,升力讲解3分钟

机翼表面的附面层

以紧贴机翼表面速度略大于零的流线为例,如果其沿着水平方向向后流动,由于气体的粘性,就会带走其下方的部分静止空气,造成真空,吸附上方流线向下弯曲,直到气流沿机翼表面流动为止。以此类推,整个附面层内的气流都会向下偏转,沿机翼表面流动。归根结底,机翼上表面气流向下偏斜是由于气体的粘性,形成了真空,产生了吸附作用,迫使其向下偏转。

相比之前,新解释有几个特点:

一是升力原理适用于所有翼型,不针对任何特定翼型,迎角是影响机翼升力大小的主要因素。

二是新解释紧扣气流流过机翼时的物理现象,基于牛顿三大定律,从事物的相互联系和相互运动上做出解释,避免简单套用专业结论。

三是新旧解释都涉及到了机翼上下表面的压力、速度,但是因果关系不同。在新解释中,机翼上表面是由于气体粘性形成真空,拉动气流加速,与旧解释因果倒置;机翼下表面是由于气流受阻,导致气流减速增压,与旧解释也不同。正是由于引发机翼上下表面气流参数变化的原因各不相同,机翼上下表面对升力的贡献也就不同。风洞试验表明,对于非平板翼型,机翼上表面对升力的贡献占到了60%~70%。参见下图。

升力知识点,升力讲解3分钟

机翼表面的压力分布 上表面为低压区,下表面为高压区

毫无疑问,相比之前新解释的确完善了许多。但是,能否称之完美?恐怕未必!事物总是发展的,人们的认识也是渐进的,旧的问题解决了,新的问题还会产生,“实践、认识、再实践、再认识,循环往复以至无穷”,对于机翼升力的认识同样如此。