翼型术语及升力系数

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引言

翼型术语和升力系数是确定飞行器设计的关键概念。您是否曾经想过飞机是如何停留在空中的？是什么样的设计使它们能够翱翔于天空？答案与问题一样有趣。

让我们从讨论有助于飞机保持在空中的力开始。共有四种力，我们称之为阻力、推力、重力以及升力。它们共同使飞机能够飞行。其中，升力的概念最为显著。事实上，如果没有升力，任何飞机都无法将自己从地面抬升哪怕一英寸。但升力是如何产生的呢？我们也有答案。当物体在空气中移动时，它“推动”周围的空气分子为其让路，从而产生空气动力。可以将这种空气动力分解成两个分量，即阻力和升力。升力“提升”物体，而阻力则趋于减慢其运动。为了使物体能够飞行，升力和阻力之间必须达到平衡。而翼型正是使这种平衡成为可能的因素。在本文中，我们将探讨翼型的概念。

什么是翼型？

翼型是物体横截面的形状，经过设计以产生阻力和升力之间最有利的比率。在下图中，您可以看到一些翼型的示例，以及它们的用途和尺寸。

正如我们刚才讨论的，物体需要在升力和阻力之间取得平衡才能飞行。翼型背后的理念是创造出能够在减小阻力的同时增加升力的曲线形状，即最大化效率。有趣的是，飞机并不一定需要利用翼型才能飞行。实际上，有很多形状都可以产生升力和阻力。即使是平板理论上也可以做到这一点。然而，翼型比平板产生更大的升力，并且所承受的阻力明显更小。

翼型术语

以下是理解翼型工作原理的一些重要术语。我们建议您查看附图以最大程度地提高您的理解。

• 前缘 - 翼型的前缘是前缘，它在翼型的所有其他部分之前与空气粒子碰撞。

• 后缘 - 可以将其视为翼型的尾部。它是翼型最后与空气分子相互作用的最后部分。

• 弦线 - 弦线是连接翼型前后缘的直线。根据翼型的形状，它可能位于翼型外部。这条线的长度（称为弦长）是描述翼型的重要参数。

• 迎角 - 这是弦线与翼型穿过空气时的空气相对方向所成的角度。请记住：迎角会显著影响翼型产生的升力。

• 上表面 - 可以将其与低压和高速联系起来的翼型表面称为吸力面或上表面。它位于翼型的上方，正如其名称所示。

• 下表面 - 下表面与上表面相反，并承受高静压。它也称为压力面。

• 曲率线 - 如果你从翼型的 leading edge 到 trailing edge 取所有中点并用一条线连接它们，你就会得到曲率线。这条线与弦线的距离称为曲率。

翼型如何产生升力？

在上图中，您可以看到一个翼型在空气中移动，以及空气粒子的相对运动。请注意，空气粒子倾向于“粘附”在翼型上。也就是说，它们遵循与翼型形状相同的路径。由于翼型具有曲线形状，空气分子也被迫遵循曲线路径。

由于这种气流的曲线性质以及翼型的迎角，当空气分子与翼型的 leading edge 碰撞时，大部分空气分子会转向翼型的下侧或压力面。简单来说，翼型下方比上方有更多的空气。自然地，在这种情况下，翼型上方和下方会存在压力差。由于这种压力差，翼型下方的空气将其向上推，从而产生所谓的升力。此外，翼型的曲面确保升力和阻力之间的比率最有利于飞行。因此，翼型使飞机能够飞行。

升力系数

为了描述翼型产生的升力与其面积以及周围介质的速度和密度之间的关系，我们使用一个称为升力系数的量。从数学上讲，这个升力系数是无量纲的，当产生的升力越大时，它就越大。

让我们从升力方程开始

$$\mathrm{L=C_L\times \frac{1}{2} ρv^2 A}$$

这里：

• L = 产生的升力。

• C_L = 升力系数

• ρ = 流体的密度

• v = 流体的速度

• A = 翼型的面积。

求解上述升力系数方程得到

$$\mathrm{C_L=\frac{2L}{ρv^2 A}=\frac{L}{qA}}$$

这里，q 是流体的动压。升力系数包含关于升力对各种因素（如翼型形状、空气粘度、可压缩性等）的依赖性的信息，并通过实验确定。

翼型的类型

根据翼型的几何形状，我们可以将其分为以下两类：

对称翼型

在对称翼型中，上下表面是全等的。弦线与曲率线重合，并将翼型完美地分成两个相等的部分。对称翼型用于直升机叶片。这类翼型的一个有趣的特性是，如果迎角为零，它们不会产生升力。

非对称翼型

在非对称翼型中，弦线和曲率线不重合。后者具有更大的曲率并位于弦线上方。这类翼型提供更好的升阻比，即使在迎角为零时也能产生升力。但是，它们的经济性不如对称翼型。

结论

当我们驾驶飞机时，升力、推力、阻力和重力都会发挥作用。其中，升力和阻力紧密相关，并由于空气动力而产生。升力是将飞机推向空中的力，而阻力则会减慢其速度。翼型是具有曲线的横截面形状，以提供升力和阻力之间最有效的比率。它们通过在其下方推动更大数量的空气来产生升力，从而导致压力差。翼型分为

对称型和非对称型，后者提供更好的升力，但经济性较差。

常见问题

1.谁设计并发明了翼型？

翼型的第一个概念是由一位名叫马克斯·蒙克的德国数学家提出的。在20世纪20年代，赫尔曼·格劳厄特进一步完善并改进了它们的设计。

2.翼型在哪里使用？

所有飞机和直升机都在其机翼和旋翼中使用翼型。风力涡轮机也具有翼型形状。航空航天领域对翼型的使用最多。

3.有助于飞机飞行的四种力的意义是什么？

• 飞机的重量将其向下推。

• 推力是使其向前移动的力。

• 阻力会减慢其速度。

• 升力将其向上推。

在研究飞机时，必须考虑所有四种力。

4.在哪个迎角下产生最大的升力？

在临界迎角或失速迎角时，升力最大。其值取决于许多因素。对于大多数翼型而言，它在 15° 到 20° 之间。

5. 翼型概念是否也适用于液体？

是的。当物体在液体中运动时，物理原理几乎相同。但是，在这种情况下，我们使用水翼（hydrofoil）一词而不是翼型（aerofoil）。