4.1.3空氣的物理性質(zhì)1.空氣的壓縮性一定質(zhì)量的空氣，當(dāng)壓力或溫度改變時，引起空氣密度變化的性質(zhì)，叫作空氣的壓縮性。影響空氣壓縮性的主要因素：(1)氣流的流動速度(v)。氣流的流動速度越大，空氣密度的變化顯著增大(或密度減小地越多)，則空氣易壓縮(或空氣的壓縮性增大)。(2)空氣的溫度(t)?？諝獾臏囟仍礁?，空氣的密度変化越小(或密度減小地越少)，則空氣不易壓縮(或空氣的壓縮性減小)。1.空氣的壓縮性2.空氣的濕度空氣的濕度是指大氣的潮濕程度，通常用相對濕度來表示。相對濕度是指大氣中所含水蒸氣的量與同溫度下大氣能含有的水蒸氣最大量之比，當(dāng)相對濕度為100%時，說明大氣中含有的水蒸氣量達到了最大值，處于飽和狀態(tài)。不同溫度下大氣所含有的水蒸氣最大量是不同的，溫度越高大氣所含有的水蒸氣最大量越大。隨著溫度的降低，大氣的相對濕度會増加。大氣的相對濕度達到100%時的溫度被稱為露點溫度。這個時候空氣的密度約等于干空氣密度的5/8。2.空氣的濕度3.空氣的黏性和雷諾數(shù)假如將兩塊平板合在一起，推動上面的一塊，我們便會感覺到有摩擦力。這種摩擦力是固體與固體之間的摩擦力。為了減少摩擦力，可在兩平板之間加上潤滑油。加上滑油后摩擦力減少。這時候的摩擦力是潤滑油由于黏性作用而產(chǎn)生的摩擦力。兩塊平板之間的油可看作是由很多很薄的油層組成的。最靠近下面一塊平板的油層，由于黏性的作用附在下面的平板上。當(dāng)下面的平板不動時，油層也不動，所以它的速度是0。而最靠近上面平板的油層也是附著在上面的平板上。所以當(dāng)上面的平板以等于v的速度移動時這層油層的速度也是v。3.空氣的黏性和雷諾數(shù)介于這兩薄層之間的其他油層速度便不一致了。愈靠近下面的速度便愈慢，愈靠近上面的速度便愈快，整個油層的變化是從0逐漸增加到v。由于每一薄層的速度都不同，因而油層與油層便會產(chǎn)生摩擦カ，即黏性摩擦力。3.空氣的黏性和雷諾數(shù)根據(jù)試驗的結(jié)果，整個平板運動所受到的摩擦力與上面平板的速度成正比（下面平板不動）而與兩平板的距離，即油的總厚度d成反比，與平板的面積成正比。將這些關(guān)系列出如下：式中，f為黏性摩擦力，N；v為兩平板的相對速度，m/s；d為油層的厚度，m；S為平板面積，m2；為滑油黏度(舊稱黏性系數(shù))，Pa?s。3.空氣的黏性和雷諾數(shù)

的數(shù)值主要根據(jù)滑油的性質(zhì)和溫度而定。滑油愈黏，的數(shù)值也愈大，即黏性摩擦力也就愈大。用式(4-1)可求得的單位是N?s/m2對于各種不同液體，的數(shù)值不同。只要知道速度的變化率，即式中的，便可求出單位面積的黏性摩擦力。3.空氣的黏性和雷諾數(shù)空氣也有非常微弱的黏性。當(dāng)溫度15℃時，其黏度是0.0000179N?s/m2。當(dāng)溫度下降時黏度會增加。工程應(yīng)用上的估算，大氣黏度約與其絕對溫度的0.76次方成正比?？諝怵ざ入m然很小，但對無人飛機來說關(guān)系很大，尤其是小/微型無人飛機，一定要考慮空氣黏性的影響。3.空氣的黏性和雷諾數(shù)空氣流過物體表面的時候，也像滑油一樣，最靠近物體表面的空氣是附著在物體表面的，離開表面稍遠，空氣的速度便可以稍大。遠到一定距離后，黏性的作用便不明顯，在這附近的氣流速度便等于沒有黏性作用時氣流的速度一樣。3.空氣的黏性和雷諾數(shù)所以無人飛機在空中飛行時，一般空氣的黏性作用只是明顯地表現(xiàn)在機體表面薄薄的一層空氣內(nèi)。離開了這一緊靠著機體表面的薄層，理論計算便可以認為空氣沒有黏性。這一薄層空氣稱為邊界層(舊稱附面層)。3.空氣的黏性和雷諾數(shù)在邊界層內(nèi)的空氣流動情況與外面的氣流不同。邊界層最靠近機體表面的地方氣流速度是0，最外面的地方流動速度和外面的氣流流動速度相同。我們將這邊界層的各地方局部速度用箭頭長短來表示(見圖4-2)。而邊界層內(nèi)空氣黏性摩擦力的總和就等于物體在空氣中運動的表面阻力，或者稱為摩擦阻力。3.空氣的黏性和雷諾數(shù)氣流剛開始遇到物體時，在物體表面所形成的邊界層是比較薄的。以后流過物體的表面愈長，邊界層便愈厚。在開始的時候，邊界層內(nèi)空氣的流動是比較有層次的。各層的空氣都以定的速度在流動。這種邊界層稱為層流邊界層。以后邊界層內(nèi)的流動會慢慢地混亂起來。由于氣流流過物體表面時受到擾動性摩擦力的總和就等于物體在空氣中運動的表面阻力，或者稱為摩擦阻力。3.空氣的黏性和雷諾數(shù)由于氣流流過物體表面時受到擾動（不管物體表面多光滑，對于空氣質(zhì)點來說還是很粗糙的），同時空氣質(zhì)點的活動也是很活躍的。結(jié)果邊界層內(nèi)的氣流便不再是很有層次的了。靠近最上畫的速度比較大的空氣質(zhì)點可能走到底下速度慢的那一層，而底下的質(zhì)點也會走到上面去。這種邊界層稱為湍流（舊稱紊流）邊界層。而邊界層的性質(zhì)在一定條件下會使空氣繞飛行物體的整個流場產(chǎn)生很大變化。3.空氣的黏性和雷諾數(shù)圖4-3邊界層內(nèi)氣流速度變化示意圖3.空氣的黏性和雷諾數(shù)如果氣流的速度愈大，流過物體表面的距離愈長或者空氣的密度愈大，層流邊界層便愈容易變成湍流邊界層。相反，如果氣體的黏性愈大，流動起來便愈穩(wěn)定，便愈不容易變成湍流邊界層。在考慮層流邊界層是否會變成湍流時，這些有關(guān)的因素都要估計在內(nèi)。3.空氣的黏性和雷諾數(shù)英國科學(xué)家雷諾首先提出將流體動力與黏性力之比作為黏性流體流動相似性的判據(jù)。這個比值包括了上述黏性流的有關(guān)參數(shù)，稱為雷諾數(shù)，用Re表示。兩個形狀相同但大小不同的物體在不同流體中運動時，只要其雷諾數(shù)一樣，則它們形成的流場和各種力量系數(shù)相同。Re也可以用來衡量流體的黏性影響，例如，成為衡量邊界層到底會不會從層流變湍流的一個基本指標。3.空氣的黏性和雷諾數(shù)飛機在空氣中運動，其雷諾數(shù)用公式表示為式中，為空氣密度，kg/m3；V為氣流速度，m/s；b為氣流流經(jīng)物體的距離，m；為黏度，Pa?s；為運動黏度，v=，m2/s。3.空氣的黏性和雷諾數(shù)高空大氣密度、溫度降低，運動黏度增大。3.空氣的黏性和雷諾數(shù)當(dāng)雷諾數(shù)在1~100之間時，流體的流動全是黏性流。不過這種情況只存在于潤滑的滾珠軸承之內(nèi)，或者太空高度稀薄大氣之中。雷諾數(shù)大于100的流場往往是邊界層與無粘性流的混合流場。流體黏性的作用只集中在邊界層內(nèi)。不過邊界層的情況很多時候會影響到整個流場，如引起機翼的過早失速等等。3.空氣的黏性和雷諾數(shù)試驗表明，要使機翼翼面層流邊界層變?yōu)橥牧鬟吔鐚?，雷諾數(shù)在50000至160000之間。一般的小/微型無人飛機機翼表面上多數(shù)是層流邊界層，很少有機會變成湍流邊界層。3.空氣的黏性和雷諾數(shù)此外，還要注意一個特殊的現(xiàn)象，就是風(fēng)洞測試時，同一翼型在低雷諾數(shù)時性能不好，但當(dāng)雷諾數(shù)達到一定值時其性能會突然變好，這種雷諾數(shù)稱為臨界雷諾數(shù)；若雷諾數(shù)再繼續(xù)增大，氣動性能略為變好，但變化已經(jīng)不大。3.空氣的黏性和雷諾數(shù)不同翼型或物體在不同迎角其臨界雷諾數(shù)不一樣。所以盡可能弄清使用的翼型或外掛物等的臨界雷諾數(shù)十分必要。無人飛機或微型無人飛機與真飛機的性能及各種空氣動力的作用都相差很遠的原因，就是因為雷諾數(shù)相差很大計算微型無人飛機的性能時不能用大雷諾數(shù)試驗出來的數(shù)據(jù)。3.空氣的黏性和雷諾數(shù)4.2氣流特性4.2.1相對運動原理作用在飛機上的空氣動力取決于飛機和空氣之間的相對運動情況，而與觀察、研究時所選用的參考坐標無關(guān)。飛機以速度V在平靜的空氣中飛行時，作用在飛機上的空氣動力與遠方空氣以速度V流過靜止不動的飛機時所產(chǎn)生的空氣動力完全相同。這就是相對運動原理在空氣動力學(xué)中的應(yīng)用?？諝庀鄬︼w機的運動稱為相對氣流，相對氣流的方向與飛機運動的方向相反。4.2.1相對運動原理只要相對氣流速度相同，產(chǎn)生的空氣動力也就相等。將飛機的飛行轉(zhuǎn)換為空氣的流動，使空氣動力同題的研究大大簡化。風(fēng)洞實驗就是根據(jù)這個原理建立起來的。圖4-6所示為閉口回流式風(fēng)洞。4.2.1相對運動原理4.2.2連續(xù)性假設(shè)連續(xù)性假設(shè)是在進行空氣動力學(xué)研究時，將大量的、單個分子組成的大氣看成是連續(xù)的介質(zhì)。所謂連續(xù)介質(zhì)就是組成介質(zhì)的物質(zhì)連成一片，內(nèi)部沒有任何空隙。在其中任意取一個微團都可以看成是由無數(shù)分子組成的，微團表現(xiàn)出來的特性體現(xiàn)了眾多分子的共同特性。對大氣采用連續(xù)性設(shè)的理由是與所研究的對象一飛機相比，空氣分子的平均自由行程要比飛機的尺寸小得多。空氣流過飛機表面時，與飛機之間產(chǎn)生的相互作用不是單個分子所為，而是無數(shù)分子共同作用的結(jié)果。4.2.2連續(xù)性假設(shè)4.2.3穩(wěn)定氣流及流線、流管和流線譜空氣在流動時，如果空間各點上速度的大小和方向、壓力、密度等參數(shù)不隨時間而改變，叫作穩(wěn)定氣流。如果空氣的流動情況隨時間而改変，也就是在空間某一點上，氣流參數(shù)隨時間而改變，這樣的氣流就是不穩(wěn)定氣流，例如汽車后面的空氣旋渦是不穩(wěn)定氣流。氣流在穩(wěn)定流動中，空氣徽粒流動的路線，叫作流線。由許多流線所組成的圖形，叫作流線譜。通常把由流線所組成的管子，叫作流管，如圖4-7所示。兩條流線之間的距離