飛機(jī)空氣動(dòng)力學(xué)（二）

隨著飛機(jī)翼型的進(jìn)一步復(fù)雜化，飛機(jī)速度進(jìn)一步的提升，一種神秘的現(xiàn)象逐漸浮出水面，至今仍是高性能戰(zhàn)機(jī)研制的重中之重，我們叫它——渦流。

上一篇文章討論的機(jī)翼其實(shí)認(rèn)為機(jī)翼是無(wú)限長(zhǎng)的，沒(méi)有考慮翼尖這個(gè)邊界條件。事實(shí)上，當(dāng)有限翼展的機(jī)翼產(chǎn)生正升力時(shí)，上表面壓強(qiáng)小，下表面壓強(qiáng)大，會(huì)有不可忽略的氣流從下表面繞過(guò)翼尖流向上表面。這些氣流把上表面的氣流向中心擠壓，使其具有朝向中心的速度分量；下表面的氣流則向兩側(cè)拉伸，具有朝向兩側(cè)的速度分量。當(dāng)上下兩個(gè)表面的氣流在翼后相聚時(shí)，不同的流動(dòng)方向會(huì)使它們卷成一個(gè)個(gè)小渦流，構(gòu)成了翼后渦面。

在中大型客機(jī)的翼尖部位，我們會(huì)看到豎起的兩個(gè)小翼，稱為翼梢小翼。它可以阻礙氣流向上表面流動(dòng)，削弱翼尖渦，使身后氣流相對(duì)平緩，方便其它飛機(jī)飛行。尤其在起降繁忙的大機(jī)場(chǎng)，這種作用尤為重要。

回到下洗流，機(jī)翼在下洗流的吹拂下也會(huì)產(chǎn)生一個(gè)垂直于下洗流的升力，這個(gè)升力的垂直分量是升力的一部分，而它的水平分量則構(gòu)成了一個(gè)不容忽視的阻力，我們稱之為誘導(dǎo)阻力。飛機(jī)在低速下的阻力主要有摩擦阻力、由小渦流導(dǎo)致的壓差阻力（上篇文章邊界層分離那塊）、誘導(dǎo)阻力。而翼尖小翼也可以減小誘導(dǎo)阻力。

2、后掠翼

如圖，來(lái)流受到機(jī)翼的阻礙作用，Vn減小，氣流向翼尖偏轉(zhuǎn)，流過(guò)翼面上突處時(shí)Vn增大，氣流向翼根偏轉(zhuǎn)，隨后，Vn再次減小，氣流轉(zhuǎn)向原來(lái)方向。流線成S狀彎曲。

??這種S彎曲導(dǎo)致翼根處流管先粗后細(xì)，流速先慢后快，壓力先大后小，升力中心向后方移動(dòng)。稱為翼根效應(yīng)；翼尖處流管先細(xì)后粗，流速先快后慢，壓力先小后大，升力中心向前移動(dòng)，稱為翼尖效應(yīng)。無(wú)論翼尖還是翼根效應(yīng)，都在機(jī)翼前部表現(xiàn)明顯，所以翼根處整體上表面壓力變大，升力變小，翼尖處整體上表面壓力減小，升力變大。?

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后掠翼上表面翼根壓力比翼尖壓力大，沿翼展方向存在壓力差，這個(gè)壓力差使氣流向翼尖流動(dòng)，流向翼尖的氣流經(jīng)過(guò)機(jī)翼的長(zhǎng)距離摩擦，能量較小，加入翼尖氣流后會(huì)降低翼尖氣流能量，使邊界層變厚，更容易發(fā)生邊界層分離。另一方面，由于翼尖效應(yīng)，翼尖前部壓力變小，后部壓力變大，氣流流動(dòng)中受到這個(gè)更大的逆壓影響，更容易倒流，使邊界層分離。綜上，在迎角逐漸增大時(shí)，翼尖部位會(huì)先于翼根失速。雖然翼尖部分較小，不太影響總升力，飛機(jī)此時(shí)仍未到達(dá)臨界迎角，但操控性已經(jīng)下降，出現(xiàn)抖動(dòng)，稱為抖動(dòng)迎角。大部分后掠翼翼尖較短，翼尖渦效應(yīng)不明顯，下洗流不明顯，有效迎角更大，加劇了飛機(jī)性能的下降。

為了推遲翼尖失速，我們有以下幾種做法：

3、三角翼

三角翼同樣有較大的前緣后翼角，因此同后掠翼一樣，也會(huì)有氣流的S型流動(dòng)和翼尖翼根效應(yīng)。但與后掠翼不同的是，三角翼的前緣（也是側(cè)緣）很長(zhǎng)，下表面高壓氣流很容易翻到上表面來(lái)，降低上下表面壓力差，導(dǎo)致升力下降，這就是三角翼低速時(shí)機(jī)動(dòng)性下降的原因。

但是迎角也不能太大，迎角過(guò)大是，左右兩側(cè)的脫體渦相互靠近、干擾、破碎，機(jī)翼失速。

脫體渦中氣流相互耦合，流速穩(wěn)定，能提供穩(wěn)定的負(fù)壓區(qū)，產(chǎn)生額外的升力，稱為渦升力，從而部分彌補(bǔ)氣流上翻導(dǎo)致的升力下降，改善大迎角飛行性能，還能不斷為邊界層輸入能量，顯著增大臨界迎角（可達(dá)30~40度）。

在接近地面時(shí)，機(jī)翼下表面氣流受地面阻礙作用流速變慢，壓力增大，還會(huì)導(dǎo)致一部分本應(yīng)從下表面流過(guò)的氣流改由上表面流過(guò)，上表面流速增大，壓力減小，綜上，飛機(jī)在靠近地面時(shí)升力會(huì)顯著增加。

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供稿人：可控猴聚變

參考文獻(xiàn)：【1】柳文林，康小偉.飛機(jī)空氣動(dòng)力學(xué)【M】北京：北京

航空航天大學(xué)出版社，2022.

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