Cattle 学航模，每天一点航模知识

我们研究空气动力学的意义是什么？它对我们有什么帮助？我们会在下面与大家对此问题进行探讨。欢迎该领域专家多提建议。您的每一点建议，多会令我收获颇多，受益匪浅。

Ø  空气动力学是流体力学的一个分支，从流体力学发展而来；

Ø  空气动力学研究平衡及运动规律；

Ø  空气动力学是建立在运动定律之上。

平衡，何谓平衡？

如果一个物体保持平衡状态，那么它就会有继续保持这种状态的趋势。所有施加在该物体上的外力都是平衡的，不会对其有任何改变，加速或减速。

平衡并不是静止不动，移动的物体也会存在平衡状态。比如作水平直线飞行的飞行器，它既不加速也不减速，也不做方向改变，这也是一种平衡状态。如果该飞行器匀速进行爬升，那么它依然是一种平衡状态。

平衡状态是一种普遍存在的物理现象，与不稳定运动状态的不同之处是多了加速度。

 

那么什么又是速度、加速度？

速度表示移动物体的运动快慢。

加速度，即打破了平衡状态，改变了速度大小或方向，改变这些都需要外力来引起相应的加速度变化。

加速度表示移动物体的变化率。

 

   要获得给定加速度，所施加的力的大小取决于物体的质量。

质量与重量不同，重量由质量而来。一个物体在一定的条件下是不变的，但该物体在不同的空间或地点，重量是不同的，这是由于重力加速度不同造成的。

一个有很大质量的物体需要更大的力来打破它的平衡才能达到给定的加速度。

这样的性质在一定情况下是个优点。比如飞机模型受突风影响的时候，小质量的模型可能会被吹翻，但大质量的物体可能只有微小的变化。但大质量的物体也需要较大的力使其从静止状态加速到飞行速度，同样需较大的力保持平衡，爬升，转弯。

对于由外力来打破物体的平衡状态，是加速，减速还是改变方向，被称为惯性的物体的质量会阻止这种变化。

作用力、反作用力

作用力和反作用力是大小相等方向相反的。当一个物体静止在地面时，它的重力方向朝下，与由地面施加的大小相等方向相反的反作用力构成平衡。一辆以恒定速度行驶的小车，它由一定的牵引力使汽车运动，反作用力是汽车与地面的摩擦力和与空气形成的阻力。

任何不平衡的力都会产生加速度。

空气动力学，我们大致说了下其中力的一些概念，接下来我们在说下空气。

 

飞机在环绕地球表面的大气层中飞行，我们先将飞行包线限制在对流层。航天器和高空飞机可以飞在更高的平流层甚至更高。

在对流层中，把大气看做一种气体大气层总质量的四分之三存在于对流层中，并因地球引力场作用呈一定的分布

通常假设地球引力为常数，但地球外形和质量分布的作用，能显著影响环绕地球的引力。

重力同样受海拔高度影响，并随着海拔高度的升高而减小。海拔高度变化的影响使得飞机的几何高度同样具有位势高度。

H = R0z/(R0+z)  H:位势高度 。R0地球半径  z几何高度

位势高度用于计算温度、压力和密度。

大气温度会随着海拔高度的升高而变化。

T = T0 –TlH   T:当前海拔高度的温度K   T0标准海平面温度K  Tl 温度下降率

H位势高度

大气压力，大气压力是由一定海拔高度上单位面积下的空气分子柱的质量产生的效果。随着海拔的升高，气压将随之降低。

下面我们将用数学模型比较感官的来看下这方面的关系：

以上为大气温度的变化规律

以上为大气压力的变化规律

 

随着海拔的升高，大气密度从海平面也开始递减。

附程序：

const double Rs =   8314.32;  /* Nm/(kmol K), 气体常数 */

const double M0 =   28.9644;  /* kg/kmol, 空气平均分子量 */

const double g0 =   9.80665;  /* m/s^2, 45.5425度纬度处的重力加速度. */

const double r0  =  6356766.0; /* m, g0位置地球半径 */

const double P0 =  101325.0;  /* Pa, g0位置大气压 */

const double T0 =    288.15;  /* K,标准海平面温度 */

const double Td =    273.15;  /* K, 零摄氏度 */

const double Gamma =   1.40;  /* 理想双原子气体的比热 */

 

int main(int argc, char *argv[])

{

    double As;   /* 常数*/

    int Z;       /*几何高度 height m */

    double H;    /* 位势高度 height m */

    double P;    /* 压力Pa */

    double T;    /* 温度 K */

    doublerho;  /* 密度 kg/m^3*/

    double Cs;   /* 声速 m/s */

 

    As = g0 * M0 /Rs;

 

  for (Z=0; Z <=10800; Z+=300)

  {

      H = r0 *(double) Z / (r0 + (double) Z);

      T = T0 -0.0065 * H;

      P = P0 *exp(As * log(T0 / T) / (-0.0065));

      rho = (P / T)* (M0 / Rs);

      Cs =sqrt((Gamma * Rs / M0) * T);

 

     printf("%5d %6.2f %8.4f %8.4f %6.2f\n", Z, T, P, rho, Cs);

  }

}

 

注：以上部分图片来源于网络

2013年