翼面阻力

飛機在空氣中之所以能飛行，最基本的事實是，有一股力量克服了它的重量把它托舉在空中。而這種力量主要是靠飛機的機翼產生的升力。阻礙飛機飛行的力，就是阻力。阻力由翼面產生，即是翼面阻力。

翼面阻力主要分為摩擦阻力、壓差阻力和誘導阻力。飛機的摩擦阻力是因為空氣的粘性造成的；由於翼型前後壓強不等引起的，稱之為壓差阻力；由於產生升力而誘導出來的附加阻力稱為誘導阻力。可以說，誘導阻力是為產生升力而付出的一種“代價”。

基本介紹

• 中文名：翼面阻力
• 外文名：Wing surface resistance
• 分類：摩擦阻力、壓差阻力和誘導阻力
• 套用學科：航空宇航科學與技術

翼面升力與阻力

根據運動的轉換原理，可以認為在空中飛行的飛機是不動的，而空氣以同樣的速度流過飛機，這樣可以使問題簡化。如圖所示，當氣流流過翼型時，由於翼型的上表面凸些，這裡的流線變密，流管變細，相反翼型的下表面平坦些，這裡的流線變化不大(與遠前方流線相比)。根據連續性定理和伯努利定理可知，在翼型的上表面，由於流管變細，即流管截面積減小，氣流速度增大，故壓強減小;而翼型的下表面，由於流管變化不大使壓強基本不變。這樣，翼型上下表面產生了壓強差，形成了總空氣動力R, R的方向向後向上。按平行四邊形法則，根據它們實際所起的作用，可把R分成兩個分力:一個與氣流速度v垂直，起支托飛機重量的作用，就是升力Y;另一個與流速v平行，起阻礙飛機前進的作用，就是阻力X。

小迎角下翼剖面上的空氣動力

此時產生的阻力除了摩擦阻力外，還有一部分是由於翼型前後壓強不等引起的，稱之為壓差阻力。總空氣動力R與翼弦的交點叫做壓力中心。好像整個空氣動力都集中在這一點上，作用在翼面上。

附面層與摩擦阻力

由於空氣是有黏性的，所以當它流過機翼時，就會有一層很薄的氣流被“黏”在機翼表面上。這個流速受到阻滯的空氣流動層就叫做附面層。被認為是附面層的厚度通常取流速達到0. 99 v。根據作用和反作用定理處為附面層邊界，由機翼表面到該處的距離，受阻滯的空氣必然會給機翼表面一個與飛行方向相反的作用力，這就是摩擦阻力。

附面層中氣流的流動情況是不同的(見圖)。一般機翼大約在最大厚度以前，附面層的氣流不相混淆而成層地流動，而且底層的速度梯度較小，這部分叫做層流附面層。在這之後，氣流的流動轉變成雜亂無章，並且出現了旋渦和橫向流動，而且貼近翼面的速度梯度也較大，這部分叫做紊流附面層。層流轉變為紊流的那一點稱為轉捩點。在紊流之後，附面層脫離了翼面而形成大量的旋渦，這就是尾跡。

層流附面層和紊流附面層

總的說來，摩擦阻力的大小，取決於空氣的茹性、飛機的表面狀況以及同空氣接觸的飛機表面面積等。
為了減小摩擦阻力，就希望儘量延長層流段。選用最大厚度位置靠後的層流翼型，就有可能使轉捩點位置後移。但是轉捩點的位置不是固定不變的，隨著氣流速度、原始紊流度、翼型製造誤差及表面粗糙度的增加，都將使轉捩點前移而導致摩擦阻力的增加。

壓差阻力

“壓差阻力”的產生是由於運動著的物體前後所形成的壓強差所形成的。壓強差所產生的阻力就是“壓差阻力”。壓差阻力同物體的迎風面積、形狀和氣流中的位置都有很大的關係。

各種物體形狀的壓差阻力

物體形狀對壓差阻力也有很大的作用。把一塊圓形的平板，垂直地放在氣流中。流經它的氣流會很快發生分離，分離點後產生大量的渦流，使平板前後形成很大的壓差阻力。如果在圓形平板的前面加上一個圓錐體，它的迎風面積並沒有改變，但形狀卻變了。平板前面的高壓區，這時被圓錐體填滿了。氣流可以平滑地流過，壓強不會急劇升高，同時，氣流的分離點向後移動，使木板後的渦流區變小。雖然這時平板後面仍有氣流分離，低壓區仍然存在，但是前後的壓強差卻大為減少，因而壓差阻力必然會降低到原來平板壓差阻力的大約五分之一。

如果在平板後面再加上一個細長的圓錐體，把充滿旋渦的低壓區也填滿，氣流分離點出現的更晚，使得物體後面只出現很少的旋渦，那么實驗證明壓差阻力將會進一步降低到原來平板的大約二十到二十五分之象這樣前端圓純、後面尖細，象水滴或雨點似的物體，叫做“流線型物體”，簡稱“流線體”。在迎風面積相同的條件下，它的壓差阻力最小。這時阻力的大部分是摩擦阻力。除了物體的迎風面積和形狀外，物體在氣流中的位置也影響到壓差阻力的大小。

機翼的下洗流和誘導阻力

有限翼展的橫向氣流不但直接影響了翼面的壓強分布，而且在機翼後面形成一個渦流面，並很快捲成兩根翼尖渦束向後延伸出去，這兩束渦流稱為自由渦。在此自由渦的旋轉氣流作用下，機翼展長範圍內的空氣將產生一個向下的速度W，稱為下洗速度。離開旋渦中心越近，下洗速度的數值越大。相對於翼型流動情況來說，這時氣流流過機翼每一個剖面的流動情況也都有了變化。如圖所示，當氣流以速度V、迎角a流向機翼時，由於翼尖自由渦的影響使得在該剖面處的氣流附加了一個下洗速度w。這樣，該切面處氣流的有效速度為，迎角則變為c=a+b，b稱為下洗角，按照升力是和相對氣流方向垂直的氣動力定義，該剖面的升力dY，將垂直於，即與不考慮自由渦引起下洗情況相比，升力方向向後顧斜了一個下洗角。機翼各個剖面處氣流的下洗速度不同，下洗角也不同，因此各剖面升力後傾的情況也不同。但是，總的機翼升力仍是垂直於遠前方來流V方向的空氣動力，因此，機翼各剖面上氣動力dY，在垂直於V方向上的投影之和即為機翼的總升力，各剖面上作用的氣動力dY，在V方向的分量之和，即為考慮自由渦引起氣流下洗而增加的切向氣動力，稱為誘導阻力X。在空氣動力學中常用誘導阻力係數C來表示，即。

下洗速度與誘導阻力X的形成