第四單元飛機與飛機系統
1.1 大氣層和標準大氣
1.1.1 地球大氣層
地球表面被一層厚厚的大氣層包圍著。飛機在大氣層內運動時要和周圍的介質——空氣——發生關係，為了弄清楚飛行時介質對飛機的作用，首先必須了解大氣層的組成和空氣的一些物理性質。
根據大氣的某些物理性質，可以把大氣層分為五層：即對流層(變溫層)、平流層(同溫層)、中間層、電離層(熱層)和散逸層。
對流層的平均高度在地球中緯度地區約11公里，在赤道約17公里，在兩極約8公里。對流層內的空氣溫度、密度和氣壓隨著高度的增加而下降，並且由於地球對大氣的引力作用，在對流層內幾乎包含了全部大氣質量的四分之三，因此該層的大氣密度最大、大氣壓力也最高。大氣中含有大量的水蒸氣及其它微粒，所以雲、雨、雪、雹及暴風等氣象變化也僅僅產生在對流層中。
另外，由於地形和地面溫度的影響，對流層內不僅有空氣的水平流動，還有垂直流動，形成水平方向和垂直方向的突風。對流層內空氣的組成成分保持不變。
從對流層頂部到離地面約30公里之間稱為平流層。在平流層中，空氣只有水平方向的流動，沒有雷雨等現象，故得名為平流層。同時該層的空氣溫度幾乎不變，在同一緯度處可以近似看作常數，常年平均值為攝氏零下56.
5度，所以又稱為同溫層。同溫層內集中了全部大氣質量的四分之一不到一些，所以大氣的絕大部分都集中在對流層和平流層這兩層大氣內，而且目前大部分的飛機也只在這兩層內活動。
中間層從離地面30公里到80至100公里為止。中間層內含有大量的臭氧，大氣質量只佔全部大氣總量的三千分之一。在這一層中，溫度先隨高度增加而上公升，後來又下降。
中間層以上到離地面500公里左右就是電離層。這一層內含有大量的離子(主要是帶負電的離子)，它能發射無線電波。在這一層內空氣溫度從-90℃公升高到1 000℃，所以又稱為熱層。
高度在150公里以上時，由於空氣非常稀薄，已聽不到聲音。
散逸層位於距地面500公里到1 600公里之間，這裡的空氣質素只佔全部大氣質量的，是大氣的最外一層，因此也稱之為「外層大氣」。
1.1.2 大氣的物理性質
大氣的物理性質主要包括：溫度、壓強、密度、粘性和可壓縮性等。
氣體的壓強p是指氣體作用於容器內壁的單位面積上的正壓力。大氣的壓強是指大氣垂直地作用於物體表面單位面積上的力。
隨著高度的增加，由於大氣越來越稀薄，大氣的壓強逐漸降低。
氣體的溫度t表徵氣體的冷熱程度，是與氣體分子運動密切相關的。溫度的度量單位常用攝氏溫標t[℃]和絕對溫標t[k]來表示。從微觀來看，氣體分子作不規則的熱運動時，它的運動平均動能越大，則巨集觀表現為溫度越高。
氣體分子運動的平均動能與絕對溫度成正比。在絕對溫標零點，理想氣體的分子熱運動就終止了。
單位體積物體所含有的質量稱為密度。在國際單位制中，密度的單位是千克/公尺3。空氣的密度與壓力的變化成正比，與溫度的變化成反比。隨著高度的增加，大氣的密度逐漸降低。
當氣體層間發生相對運動或氣體與物體間發生相對運動時，在氣體內部兩個流體層接觸面上或者在氣體與物體的兩個接觸面上，便產生相互牽扯和相互粘連的內摩擦力，流體的這種性質稱為粘性。粘性是流體的固有屬性之一。
流體粘性力的大小可以用流體的粘性係數來表示。不同流體的粘性係數各不相同，同一流體的粘性係數也與溫度有關。液體的粘性係數隨溫度的公升高而降低，而氣體的粘性係數則隨溫度的公升高而增大。
流體在壓強或溫度改變時，能改變其原來體積及密度的特性，稱為流體的可壓縮性。
1.1.3 標準大氣
飛行中作用在飛機上的空氣動力和發動機推力，在其它條件相同的情況下，取決於介質(大氣)的壓強、溫度及其它物理性質。大氣的壓強、密度和溫度等引數在地球表面不同的幾何高度上，在不同的緯度上，不同的季節，以及一天內不同的時間上是各不相同的。這樣一來，同一飛機在不同的時間、不同地點所進行的同一種綱目飛行的結果也就各不相同了。
為了便於作效能計算，便於整理飛行試驗資料，便於同一類飛機進行效能比較，國際航空界根據多年觀測北半球中等緯度區域內，各高度上的大氣壓強、溫度、密度等的年平均值的結果。將大氣引數加以模型化，制定了國際標準大氣表。
1.2 流體力學的基本概念
1.2.1 連續性假設
流體和一切物體都是由分子組成的，顯然分子之間是有空間的。從微觀的角度來看，流體的物理量在空間是不連續分布的，同時由於分子的隨機運動，又導致任一空間點上的流體物理量對於時間的不連續性。由此可見，流體物理量的分布，從微觀的角度來看，在空間和時間都是不連續的。
但是我們在流體力學中討論的問題的特徵尺寸(如飛機)往往遠大於流體的分子距離。這樣，我們有理由引進流體的連續介質模型：即將真正的流體看成是由稠密而無間隙的連續介質所組成的。
流體既被看成是連續介質，則反映巨集觀流體的各種物理量都是空間和時間的連續函式。因此，在以後的討論中都可以引用連續函式的數學分析工具，來研究流體各種運動狀態下的有關物理量之間的數量關係。
當然，流體連續介質模型是乙個具有相對意義的概念。根據上述連續介質模型，把介質看成是連綿一片的流體，介質所佔據的空間裡到處都瀰散著這種介質，而不再有空隙。低速空氣動力學、高速空氣動力學，甚至高超音速空氣動力學都是在連續介質這樣乙個模型下進行研究的。
只有到了外層大氣，如在120—150公里的高度上，空氣分子平均自由行程(乙個分子在與另乙個分子發生碰撞前所行經的平均路程)大約與飛機的尺寸處於同一數量級，在200公里的高度上，分子的平均自由行程有好幾公里。這時空氣再也不能認為是連續介質了。
1.2.2 運動轉換原理
當飛機在原來靜止的空氣中作等速直線飛行時，將引起物體周圍空氣的運動，同時空氣將給飛機以作用力。因此研究靜止氣流中飛機作等速直線運動所受的力問題可以轉變為讓飛機靜止，以一股直勻的氣流迎面吹來，兩者所受的力是相等的。這就是所謂的運動轉換原理。
無論是實驗還是理論計算，這個原理都是常用的。
1.3 低速流動特性
1.3.1 流體的連續性定理
在乙個容器中充滿液體，把進口和出口的開關同時開啟，讓液體從容器中經過剖面面積不等的管道流出，同時保持容器內液體表面的位置不變(如圖1-1所示)。這時，流體的流動是不隨時間而變化的，因而是穩定的流動。如果流體流動的速度不太高，把流體看作是不可壓縮的，即在流動過程中流體的密度不發生變化。
同時流體既沒有流入也沒有流出。那麼，管道剖面面積小的地方流速大，而管道剖面面積大的地方流速小。
1-1）
1.3.2 流體的伯努利定理
在上述流體的連續性實驗裝置中，如果在不同的剖面管道上裝有液體壓強計，則可以從壓強計內液面的高低得出不同剖面的管道內流體靜壓的大小。實驗表明：在管道剖面面積大的地方，流體的靜壓也大，在管道剖面面積小的地方，流體的靜壓也小。
2023年瑞士物理學家伯努利首先推導出不同剖面的管道內流體的流速和靜壓之間的關係為
= 常量1-2)
或1-3)
上式稱為流體的伯努利方程。式中p稱為靜壓，稱為動壓，而p0稱為總壓。
這裡需要指出的是，在推導流體的伯努利方程時，要求在管道中流動的流體能量既不增加也不減少，因此它只能用於理想流動，即不考慮流體在流動過程中的能量損失。
圖1-1 管道中流體的流動
1— 容器；2—管道；3—進口開關；4—出口開關；5—玻璃管
1.3.3 流動狀態
流體的流動有兩種狀態：一種是流體微團分層地流動，各層之間不互相混淆，稱為層流；另一種是流體微團作雜亂無章的運動，分不清層與層的界限，稱為紊流。
流體微團運動時，每一微團都要受到粘性力（與分子的熱運動有關）與慣性力（與微團加速度運動有關）的作用。粘性力起的作用佔主導地位，流動將呈層流狀態；慣性力起的作用佔主導地位，流動則由層流狀態轉變為紊流狀態。
1.3.4 附麵層
當氣流流經物體(如機翼)時，由於實際氣體存在粘性，就在繞流物體的周圍存在兩個不同的流動區域，一是緊貼在物體表面的乙個薄層(圖1-2之a)及尾跡(圖1-2之b)，另一是外部流動區(圖1-2之c)。緊貼在物體表面的這個薄層稱為附麵層，其厚度順著氣流是逐漸加厚的。在附麵層內，必須考慮流體粘性的作用，而在外部流動區，粘性的影響可以忽略，即可將流體視為理想氣體。
若沿物體表面某點處的法線把附麵層放大來看，可得到附麵層內流速分布的圖象(如圖1-3所示)。在物體的表面處，流速為零，沿法線向外，流速逐漸增大，直到等於外部流動的流速。通常把流速達到外部流速的99%這一點離表面的距離，稱為該處附麵層的厚度δ。
在繞流物體的前緣，δ值為零，至後緣附近，δ達到最大值。一般情況下，δ值約為繞流物體長度的1%左右。
按流體的流動狀態，可以把附麵層分成層流附麵層和紊流附麵層。經常遇到的是一種混合附麵層狀態：在物體前部是層流附麵層，而在後部則是紊流附麵層(如圖1-4所示)。
由層流附麵層轉為紊流附麵層的那一點稱為「轉捩點」，如圖1-4(c)中的t點所示。機身和機翼表面上的轉捩點位置將隨著流速的增大而前移。另外，物體表面越粗糙，轉捩點越靠前。
上面說的是附麵層沒有從物體表面分離的情況。當氣流流過流線型較差的物體時，由於流速下降，壓強增大，逐漸使得後部的附麵層加厚，以致使附麵層中的氣流發生倒流，如圖1-5所示。圖中a點即為氣流分離點。
附麵層發生分離後，將在物體後部形成渦流區(如圖1-6所示)。附麵層分離區和物體後部渦流區內的壓強要比物體前部的小，因此，物體前部受到的壓力要比後部受到的壓力大，於是就形成了所謂的「壓差阻力」，也稱為形狀阻力。有關壓差阻力的概念，我們將在下一章中作詳細的介紹。
空氣動力學第二章習題
2 1考慮形狀任意的物體。如果沿著物體表面的壓力分布為常值，是證明壓力在屋面上的合力為零。2 2 考慮如下速度場，其x，y向的速度分量分別為，其中c為常數。試求流線方程。2 3考慮如下速度場，其x，y向的速度分量分別為，其中c為常數。試求流線方程。2 4 考慮如下流場，其x，y向的速度分量分別為，其...
第一章基礎知識
資料在計算機內的表示方法 採取二進位制的方法在計算機中表示數的原因 為了適應計算機內部的電子電路。cpu要處理的文字 聲音 影象 動畫這些資訊 和程式都轉換成一種特殊形式的數值 二進位制數值，然後再處理，儲存器要儲存的各種數值也是二進位制數值。複選在計算機中用二進位制形式來表示數值，是因為 a a ...
第一章基礎知識
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