像鳥兒一樣自由飛行是人類自古以來的夢想，當(dāng)工業(yè)化的腳步邁入20世紀(jì)，氣動的魔法展露鋒芒，乘著科學(xué)技術(shù)的新風(fēng)，人類進(jìn)入了藍(lán)天，本期專欄，讓我們聊一聊氣動的魔法。

物理數(shù)學(xué)比較好的同學(xué)往往驚嘆于數(shù)理的嚴(yán)謹(jǐn)與精美，但氣動不同，它更像是一門魔法。在氣動中，我們并不拘泥于公式的推衍，所謂公式，不過是對實驗結(jié)果的歸納和對其中原理的簡單剖析。至于公式精確度嗎，抱歉，氣動中除了定義式（給一個量下定義），別的公式都有一定的適用范圍?？傊?，氣動以實驗為標(biāo)準(zhǔn)。

氣動的主要研究公式是風(fēng)洞，所謂風(fēng)洞，就是把物體放在風(fēng)中去吹，然后我們?nèi)タ此纳ψ枇Φ葰鈩訁?shù)。這里就涉及到了一個等效思想，我們認(rèn)為：物體在空氣中前進(jìn)所受的氣動效果，與同速的風(fēng)迎面吹它的效果相同。

我們再看看怎么表現(xiàn)氣體的性質(zhì)，研究往往在飛行器靜止系下進(jìn)行，空氣在飛行器外每一點的位置有不同的性質(zhì)，挑選一個參數(shù)，就構(gòu)成了一個場，比如流速場v(x,y,z,t)，氣壓場p(x,y,z,t)。如果氣體的流動與時間無關(guān)，場的表述中沒有時間，我們稱這種流動為定常流動，氣動一般研究定常流動。

一般我們研究氣體流速場，在空間中我們可以找到一些線條，使線條的切線方向為該點氣體流速方向，這些線條稱為流線，流線不能相交?？臻g中一些流線能圍成一條管子，稱為流管。因為流管的表面氣流只能延切向流動，所以在定常流動中，氣體不能從側(cè)面進(jìn)出流管，此時流管就像真實存在的固體管一樣，束縛住了氣體。我們把流線和渦流畫在一張圖上，就構(gòu)成了流譜。

伯努利方程：（對于同一條流線而言）

一般高度變化不大時，省略左側(cè)第三項

左側(cè)第一項稱為靜壓，是物體實實在在受到的壓強，第二項是動壓，靜壓與動壓之和為總壓

伯努利方程實質(zhì)：無粘滯時氣體動量守恒。

雷諾數(shù)：（μ為氣體粘滯系數(shù)，反應(yīng)了氣體黏性大小；L為物體特征長度）

雷諾數(shù)是氣體所受慣性力和粘滯力之比，雷諾數(shù)較小時，氣體粘滯占主導(dǎo)地位，此時氣體流動平緩，分層明顯，稱為層流；雷諾數(shù)較大時，慣性占主導(dǎo)地位，氣體運動不規(guī)則，出現(xiàn)強烈擾動，稱為湍流。由層流向湍流過渡的雷諾數(shù)稱為臨界雷諾數(shù)，對于飛機而言，臨界雷諾數(shù)在100萬以上，是非常大的。

現(xiàn)在，我們可以把大家感興趣的機翼放進(jìn)氣流中，來看看升力是怎么產(chǎn)生的了。

有一個問題，伯努利公式只對無粘滯氣體成立，真實氣體粘滯效果不可忽略，為此，科學(xué)家們提出邊界層概念：機翼并非絕對光滑，會黏附流過它表面的氣體，形成從里向外流速逐漸增大的空氣層，稱為邊界層。一般的說，但空氣流速達(dá)到主流（就是遠(yuǎn)離機翼，幾乎不受粘滯力影響的氣流）速度的99%時，粘滯效果已經(jīng)很小，可以近似認(rèn)為無粘滯，已脫離邊界層范圍，一般機翼邊界層最厚處為幾十毫米。由于邊界層較薄且其中氣流受力為水平粘滯力，并不會給機翼額外的壓力，即機翼所受壓力為主流對邊界層的壓力。

3、?機翼的構(gòu)型與升力的產(chǎn)生

迎角（α）：來流與弦線的夾角?? ? ? ? ? ?升力（Y）：飛機所受的力在垂直來流方向上的分量

以雙凸翼型為例，氣流在吹過機翼上表面時先經(jīng)過上凸處，流管變細(xì)，流速加快，壓強逐漸下降，而下部氣流同理，但流速減小幅度小于上表面，壓強下降但仍大于上表面，上下壓力差產(chǎn)生了升力。

但事情還沒完，上表面氣流通過凸處后，流管再度擴張，氣流速度減緩，壓強增大，此時機翼后方壓強大于前方，阻礙氣流流動，當(dāng)氣流流速減小到零后，反而向前流動，導(dǎo)致邊界層脫離機翼，發(fā)生邊界層的分離。此時機翼表面主流不能緊貼機翼流動，流管急劇向外擴張，導(dǎo)致升力急劇減小。

當(dāng)迎角較小時，邊界層分離不明顯，當(dāng)迎角增大時，機翼上凸處更加突起，流管更細(xì)，壓強更??；下部氣流更受阻，流速減小，壓強增大。此時隨迎角變大，升力增大。當(dāng)迎角達(dá)到一定時，升力最大，稱為臨界迎角。

當(dāng)迎角抵達(dá)臨界迎角，再進(jìn)一步增大時，氣流開始分離點急劇前移，導(dǎo)致上凸處主流流管急劇擴展，升力減小。雖然氣流分離后產(chǎn)生的渦流急速旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生負(fù)壓區(qū)，但彌補不了主流升力的損失，升力減小。同時，分離區(qū)的負(fù)壓還會使阻力增大，飛機無法正常飛行，進(jìn)入失速狀態(tài)。

供稿人：可控猴聚變

參考文獻(xiàn)：【1】柳文林，康小偉.飛機空氣動力學(xué)【M】北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2022.