亞聲速流動
對這種無粘亞聲速流動作理論研究的原因有兩方面:首先,實際氣體運動的基本方程太複雜,很難求解,而對一些具體問題,例如計算機翼的舉力,粘性的影響很小,可以忽略,使基本方程簡化,便於求解。其次,對於某些流動問題(例如機翼的阻力),即使粘性不能忽略,也可以在無粘流的理論基礎上再考慮粘性影響,進行求解。流動特點 亞聲速流動和超聲速流動的主要區別有兩方面:
①流速v與流管橫截面積A的關係不同。在定常流動中,沿流管存在下列關係:
, (1)
, (2)
式中v為流速;Μa為當地馬赫數;ρ為氣體密度。在亞聲速流動中(Μa<1),密度相對變化│dρ/ρ│小於速度的相對變化。在低馬赫數時,例如在Μa≤0.3的範圍內,可以完全忽略密度的變化;把氣體視為不可壓縮流體(即ρ為常數),這種低馬赫數下的亞聲速流動稱為低速流動或不可壓縮流動。對於不可壓縮流動,ρ為常量,研究起來容易得多。ρ為變數的流動稱為可壓縮流動,其中Μa恆小於1的流動即為亞聲速流動,Μa恆大於1的流動稱為超聲速流動。由上式可以看出,不管是亞聲速流動還是超聲速流動,如速度增加,密度就減小。但就流管橫截面積A而言,在亞聲速時,若A減小,則流速增大;在超聲速時,若A增大,則流速也增大(見氣體動力學)。②當物體在靜止氣體中運動時,如果運動速度低於聲速,則它對氣體的擾動可傳播到全流場;當運動速度超過聲速時,擾動的範圍是有限的。若把物體看成是一個點擾源,擾動局限於擾源的後馬赫錐內(見超聲速流動),而傳不到物體的遠前方。
基本方程式 流體流動時服從自然界的一些普遍規律,如質量守恆,動量守恆,能量守恆等。表達這些規律的方程式,稱為基本方程式。無粘勻直流流過靜止物體時,若流動是亞聲速的,從理論上可以證明,流動一定是無鏇的,有速度勢ф(x,y,z)存在,在直角坐標系中它與速度的關係為:
, (3)
式中vx、vy、vz分別為沿 x、y、z方向的分速。由於存在速度勢ф,可以將運動學和動力學分開,只須求出一個未知函式ф,問題大為簡化。下面給出用速度勢ф表示的低亞聲速流動和亞聲速流動的基本方程式:①低亞聲速流動(不可壓縮流動) 此時Μa≤0.3,可以忽略密度變化,將流動視為不可壓縮流動。基本方程為下列拉普拉斯方程:
。(4)
方程(4)是線性的,可以先找出一些基本解,然後套用解的疊加原理求出滿足具體邊界條件的解。對於定常流動(見非定常流動),例如無粘勻直流繞過靜止物體的流動,在速度勢ф求出後,由式(3)即可求出流場中的速度分布vx、vy、vz。再利用不可壓縮流動的伯努利方程(見伯努利定理),就可求出流場中的壓強分布p(x,y,z)和物面上的壓強分布,於是可以很容易地求出物體所受的作用力(例如機翼的舉力)。分析無粘不可壓縮流動問題的關鍵在於根據具體的邊界條件,求拉普拉斯方程(4)的解。 對於複雜的物形(邊界條件也複雜),例如整架飛機,要用計算機求解。如果物形比較簡單,例如大展弦比直機翼(這是低速飛機常用的一種機翼),可用一些近似理論(如舉力線理論、舉力面理論)近似求解。對平面不可壓縮位勢流問題,除速度勢ф(x,y)外,還存在流函式Ψ(x,y),兩者的關係為:
,(5)
式(5)在數學上稱為柯西-黎曼條件,在此條件下存在復位勢:w(x+iy)=ф(x,y)+iΨ(x,y), (6)
式中i=。這樣,解具體流動的問題,就化為按具體邊界條件求復位勢ω 的問題。利用複變函數理論中的保角變換法,可以較容易地求解條件較複雜的流動問題。②亞聲速流動 無粘勻直流流過靜止物體時是等熵流動,而且存在速度勢ф(x,y,z),它服從下述基本方程: 式中c為當地聲速。方程(7)為非線性方程,很難求解,對於低亞聲速流動(即不可壓縮流動),c→∞,上式就變成拉普拉斯方程(4)。從物理意義上說,亞聲速流動與不可壓縮流動在流動特點上沒有本質上的不同,就方程而言,式(4)和式(7)都屬於橢圓型偏微分方程,所以亞聲速流動與不可壓縮流動只有量的差別。由於不可壓縮流動的理論和實驗研究都已取得一定的結果,可根據不可壓縮流動這些結果,作一些量的修正,得出相應的亞聲速流動的結果。在小擾動條件下的修正方法有普朗特-格勞厄脫法則,卡門-錢學森公式等。
方程(7)中所有各項的係數都只是速度的函式(聲速c也可以通過能量方程化為速度的函式),因而對於平面流動在以速度分量vx、vy為直角坐標的速度面上,該方程變成線性的,可以套用疊加原理求問題的解。這種方法稱為速度圖法。在速度圖法中,基本方程是線性化的、簡單的。但對具體問題,邊界條件卻複雜化了,求精確解仍存在很大困難。