1、 一、空气的物理参数 二、空气的物理性质 三、大气分层 四、国际标准大气 五、气流特性l 空气也叫“大气”，包围地球的空气层也叫大气层。空气是一种无色、无味、无臭的混合性气体，是由不同成分的气体分子所组成的，主要成分为氮、氧、二氧化碳、氢、氩、氖、氦等，其中主要为氮和氧。l 空气按体积计算，氮约占总体积的78，氧约占总体积的21。空气按质量计算，氮约占总质量的76.5，氧约占总质量的23.1。l 空气的密度、温度和压力是确定空气状态的三个主要参数，飞机空气动力的大小和飞机飞行性能的好坏，都与这三个参数有关。l 1、空气的密度l 空气的密度是指单位体积内空气的质量，取决于空气分子数的多少。即：m
2、/Vl 公式中：为空气的密度，单位是“千克/米3”；m为空气的质量，单位是“千克”；V为空气的体积，单位是“米3”。l 空气的密度大，说明单位体积内空气的分子数多，我们称为空气稠密；空气的密度小，说明单位体积内空气的分子数少，我们称为空气稀薄。l 空气的温度是指空气的冷热程度。空气温度的高低表明空气分子作不规则热运动平均速度的大小。l 空气温度的高低可以用温度表（计）来测量。l 空气的温度一般用“t”来表示。我国和世界上大多数国家通常采用的是摄氏温度，单位用摄氏度（）表示。西方的一些国家和地区采用的是华氏温度，单位用华氏度（）表示。摄氏温度（）和华氏温度（）可以用下式进行换算：l 9/5 十3
3、2 (32)5/9l 例如：0 为32；15 为59。l 1)空气密度与温度的关系l 瘪了的兵兵球放在热水里一烫，又会鼓圆起来，这表明一定质量的空气，如果保持压力不变，当温度增高对，会引起空气膨胀，体积变大，使密度减小；相反，温度降低时，空气体积变小，密度增大。物质的“热胀冷缩”就是这个原理。l 2）空气压力和温度的关系l 一定质量的气体，如保持体积(或密度)不变，温度升高时，压力会增大，比如炎热的夏天，打足了气的自行车车胎容易爆破；又如机务维修外场规定，冷气瓶充满压缩空气后，不能在外场爆晒，以防止爆炸，就是这个道理。l 3）空气密度与压力的关系l 用力压皮球，皮球会瘪下去，这表明一定质量的空
4、气，如果保持温度不变，当压力增大时，会使体积缩小，密度就会增大；相反，当压力减少时，密度也随之减少。l 4）气体状态方程式l 气体压力、密度、温度三者间的变化关系，可以用气体状态方程式(简称气态方程式)表示：l P=RTl 公式中：R为气体常数，是一个有量刚的常数，其含义是指在等压的情况下，温度每升高1K时，1千克的气体膨胀所做的功。在海平面上，空气的气体常数 R28706 (焦尔千克K)。l 1、空气的粘性l 空气粘性的物理实质，是空气分子作无规则运动的结果，当相邻两层空气具有不同流速时，流得快的那层空气分子的动量大，它作无规则运动而进入小速度层，通过分子间的掺和碰撞，会增加该层分子的能量，
5、从而牵动该层空气加速；速度小的那一层空气分子，会碰入大速度层面，使该层速度减小。这种相邻两层空气的相互牵扯的特性，就是空气的粘性。而这种层与层之间的作用力就是空气的粘性力（也叫空气的内摩擦力），用下列公式表示：l F v/YSl为粘性系数，v/Y为速度梯度，S为接触面积。l 一定质量的空气，当压力或温度改变时，引起空气密度变化的性质，叫做空气的压缩性。l 影响空气压缩性的主要因素：l 1）气流的流动速度（v）。气流的流动速度越大，空气密度的变化显著增大（或密度减小的越多），空气易压缩（或空气的压缩性增大）。l 2）空气的温度（t）。空气的温度越高，空气的密度变化越小（或密度减小的越少），空气不
6、易压缩（或空气的压缩性减小）。l 包围着地球的空气层叫做大气层，根据不同气象条件和气温变化等待征，可以把大气分成若干层，如以气温变化为基础，则可将整个大气层分为对流层（变温层）、平流层(同温层)、中间层、电离层（暖层）和散逸层等五层，如上图所示。l 1、对流层（变温层）l 对流层是贴近地球表面的一层，对流层的高度就纬度而言，在赤道地区平均为1718公里；在中纬度地区平均为1012公里；在南、北极地区平均为89公里。l 我国属于中纬度地区，但南北距离较大，对流层的高度也不一样。例如在广州地区的平均高约16公里，北京地球高约11公里，东北地区高约10公里。对流层高度夏季高于冬季。l 对流层的特点：
7、l 1）气流随高度升高而降低l 在对流层中由于空气受热的直接来源不是太阳，而是地面，太阳放射出的能量，大部分被地面吸收，空气是被太阳晒热的地面而烤热的，所以越靠近地面，空气温度就越高。在中纬度地区，随着高度的增加，空气温度从15 降低到11公里高时的56.5。l 2）风向、风速经常变化 l 由于太阳对地面的照射程度不一，加之地球表面地形、地貌的不同，地面各地区空气气温和密度不相同，气压也不相等，即使同一地区，气温、气压也常会发生变化，使大气产生对流现象，形成风，且风向、风速也会经常变化。l 3）空气上下对流激烈l 地面各处的温度不同，受热多的空气膨胀而上升，受热少的空气冷却而下降，就形成了空气
8、的上下对流。l 4）有云、雨、雾、雪等天气现象l 地球表面的海洋、江河中的水由于太阳照射而不断蒸发，使大气中常常聚集着各种形态的水蒸气，在空中形成了“积雨云”，随着季节的变化，就会形成云、雨、雾、雪、雹和打雷、闪电等天气现象。l 5）空气的组成成分一定l 对流层中几乎包含了全部大气质量的3/4，主要是由于地球引力作用的结果。l 由于对流层具有以上特点，会给飞机的飞行带来很大影响。在高空飞行时，气温低，容易引起飞机结冰，温度变化还会引起飞机各金属部件收缩，改变机件间隙，甚至影响飞机正常工作。上下对流空气会使飞机颠簸，既不便于操纵，又使飞机受力增大。l 平流层位于对流层的上面，顶界离地面约3035
9、公里。l 平流层空气的特点是：l 1）随着高度的增加气温保持不变，中纬度地区平均保持在 56.5 左右，所以这层空气被称为同温层或恒温层。l 2）几乎没有水蒸气，没有积雨云，所以没有云、雨、雾、雪等天气现象。l 3）空气没有上下对流，只有水平方向的风，所以被称为平流层。l 4）风向、风速稳定，不经常变化l 平流层的空气在水平方向的流动比较稳定，变化不多。l 5）空气质量不多l 平流层中的空气比较稀薄，质量不多，质量大约占整个大气质量的1/4不到。l 从以上特点可以看出，平流层除了空气比较稀薄不利于飞机飞行外，其他特点都是有利于飞机的飞行的。所以平流层是飞机飞行的理想空间，现代飞机、干线飞机、国
10、际航线飞机都尽可能的在这层空间飞行。l 中间层是在平流层之上，其顶端离地面的高度大约为80100公里。l 中间层的特点：l 1）随着高度的增加，空气的温度先升后降l 中间层的气温，当高度增加到45公里时，由35公里时的56.5增加到40左右，再随着高度的增加，到80公里时，温度降低到65.5以下。l 2）有大量臭氧存在。l 3）有水平方向的风，且风速相当大。l 4）空气质量很少，只占整个大气的三千分之一。l 这层空气不利于飞机飞行，只有探空气球飞行。l 电离层位于中间层之上，顶界离地面大约800公里。l 电离层的特点：l 1）空气温度随着高度的增加而急剧增加，气温可以增加到400 以上（最高可
11、达1000 以上）。l 2）空气具有很大的导电性，空气已经被电离，主要是带负电的电离子。l 3）空气可以吸收、反射或折射无线电波。l 4）空气极为稀薄，占整个大气的1/亿.l 这层空气主要有人造卫星、宇宙飞船飞行。l 散逸层位于电离层顶端之上，就是大气的最外层，顶界离地面的高度可达20003000公里，向外就是星际空间。l 散逸层内的空气分子数极少，只是星星点点，占整个大气质量的1011，常有一些气体向星际空间散逸，故称为散逸层。l 散逸层内有极光存在，有宇宙火箭等航天飞行器飞行。l 飞机的飞行性能与大气状态(温度、气压、密度等)密切相关，而大气状态是瞬息多变的，为了便于比较飞机的飞行性能，就
12、必须以一定的大气状态作为衡量标准。国际航空协会组织参照中纬度地区(北纬3560之间)大气状态的平均值，订出了大气的状态数值，作为计算和试验飞行器的统一标准，以便于对飞机、发动机和其他飞行器的试飞结果和计算结果加以比较。处于这种状态下的大气，我们叫国际标准大气。l 1、以海平面的高度为零，在海平面上（H0）空气的标准状态是：l 气压 Po10.13牛顿/厘米2l 气温to15（59 、288 K）l 密度o 1225千克米3l 音速 ao=341米/秒（1227公里/小时）l 2、在11公里以下，高度每升高1000米，空气温度降低65，从11公里起到25公里高，气温保持在一565；高度每升高25
13、0米，音速降低1米/秒。l 3、气压、空气密度、气温和音速随高度的变化如上图所示。l 有风的时候，我们站着不动，会感到有空气的力量作用在身上；没有风的时候，如果我l们骑车飞跑，也会感到有空气的力量作用在身上。这两种情况虽有所不同，但所产生的空气l动力是一样的。前一种是空气流动，物体不动；后种是空气静止，物体运动。所以只要空气l和物体有相对运动，就会产生空气动力。至于空气和物体哪一个相对于地面运动，那是没有什么区别的。l 影响空气动力的重要因素是，飞机同空气之间的相对速度。例如飞机以每小时300km的速度(V1)在静止的空气中飞行，或者气流以每小时300km的速度(V2)流过静止的飞饥，两者的相
14、对速度都是每小时300km。这两种情况，在飞机产生的空气动力完全相等，并且这两种运动情况可以转换，所以叫做“相对运动原理”(或可逆性原理)。l 空气在流动时，如果空间各点上速度的大小和方向、压力、密度等参数不随时间而改变，叫做稳定气流。l 如果空气的流动情况随时间而改变，也就是在空间某一点上，气流参数随时间而改变，这样的气流就是不稳定气流，例如汽车后面的空气旋涡即是。l 气流在稳定流动中，空气微粒流动的路线，叫做流线。由许多流线所组成的图形，叫做流线谱。通常把由流线所组成的管子，叫做流管。两条流线之间的距离缩小，就是流管变细；两条流线之间的距离扩大，就是流管变粗。l 1、物体形状不同，流线谱就
15、不同。l 2、即使是物体的形状相同，空气流过物体的相对位置不同，流线谱也就不同。l 3、空气流向物体受到阻挡时，流管就扩张变粗，空气流过物体外凸地方时，流管就要收l缩变细。l 4、空气流过物体时，在物体后部要形成一定的涡流区，物体的横截面积越大，形成的涡流区越大。l 1）定义：观察稳定流动的河水，我们发现，流经各处的水的速度是不相同的，在河面宽的地方，水流很慢，河面窄的地方，水流很快。气流也有这种特性，如门洞里的风比院子里的大，山上的风比山下的风大，这说明气流速度大小与过道的宽窄有关。流速和流体切面积这种关系，就是气流的连续性特性所致。l 气流的连续性定理是：当气流连续不断地、稳定地流过一个粗
16、细不等的流管时，由于流管中任一部分的气流都不能中断或积压起来，因此在同一时间，流进任一切面的气流质量和从另一切面流出的气流质量应该相等。l 2、物理实质：气流连续性原理的物理实质是质量守恒定律在空气流动过程中的应用。l 3、连续性方程的推导l 当气流稳定而连续地流过一个横切面积不同的流管时(见上图)，根据质量守恒定律，在单位时闻内流过各切面的空气质量应该相等，设单位时间流过I、I I切面的空气质量分别为m1，和m2，则应：l m1=m2l 设 1、v1、S1，2、v2、S2分别为切面I一I和切面I II I处气流密度、速度和切面积，l 由于：m V V v Sl 则有：m1 1 v1 S1l
17、m2 2 v2 S2l 代入得：l 1 v1 S1 2 v2 S2常数l 上述说明，气流在稳定流动的情况下，单位时间内通过同一流管中不同切面的空气质量相等，反映了、v、S之间的相互关系，连续性方程可以表示为：l v S常数l 低速时，密度可以近似地认为是一个常数，所以连续性方程可以表示为：l v S常数l 上式表明：气流低速流动时，在同一流管的任一切面上，流速和流管横切面积成反比。即随着流管切面积的减少，流速要加快；反之，随着流管的扩散，流速要减慢。l 1、定义l 在日常生活中，我们会观察到一些在流体的速度变化时，压力也随着变化的情况。例如，在两张纸片中间吹气，两纸不是分开，而是互相靠拢；两条
18、船在水中并排行驶时，也会互相靠拢，产生所谓“船吸现象”；当大风吹过尖顶的茅草屋时，大风往往会把屋顶掀掉等。l 观察这些生活现象，瑞士物理学家丹尼尔伯努利于1738年阐明了流体在流动中的压力与流速之间的关系，后来科学界称之为伯努利定理。它是研究气流特性和空气动力之所以产生和变化的基本定理之一。l 上述现象反映了流体的一个规律：流体流速大的地方压力小，流速小的地方压力大，这就是流速与压力之间的关系，也就是伯努利定理的基本定义。l 2、伯努利定理的物理实质l 伯努利定理是能量守恒定律在流体力学（空气流动过程）中的推广应用。在低速流动空气中，参与转换的能量有两种：动能和压力能。气流一流动，就有动能产生
19、，流动速度越大，动能越大。一定质量的空气，具有一定压力即静压，静压越大，压力能越大。根据能量守恒定律，气流稳定流过一条流管时，如果没有外界能量的加入，也就没有能量的损失，气流流动过程中的总能量始终是不变的即：l 动能十压力能常量l 但是流体动能与压力能是可以互相转换的，当流速变小时，动能减小，压力能却增大，表l现为压强增大。流速增大时，动能增加，压力能就要减小，表现为压强减小。这就是流速减小，压强升高，流速增大，压强降低的根本原因。l 3、伯努利方程的推导l 空气稳定而连续地流过由粗细不等流管时，假定：l (1)流动中的空气与外界没有能量交换。l (2)空气中没有粘性，即不考虑气流中摩擦力影响
20、。l (3)空气是不可压缩的，即密度不变。l 我们应用能量守恒定律，分析流过切面I I 和I II I的气体能量的变化情况，设每秒流过切面的空气质量为m，则单位时间内气体由切面II流到切面I I 时，其动能为 m1 v 21。l 另外，空气沿流管流动，上游的空气推动下游的空气，其压力就对下游的空气做功，空气具有压力能，其大小等于气体由切面II流到切面I I 所做的功。即压力能为P1v1S1。l 同理，由切面I II I流到切面I I I I 的气体，其动能为 m2 v 22，压力能为P2v2S2。l 根据能量守恒定律，气流流过切面I I 和I II I的总能量相等，即：l m 1v 21 P1
21、v1S1 m2 v 22 P2v2S2 l 将m v S代入上式，得 1v1 S1 v 21 P1v1S1 2 v2 S2 v 22 P2v2S2 l 根据连续性方程 v1S1 v2S2 ，即：l 1 v 21 P1 2 v 22 P2l 伯努利方程的数学表达式为：l v 2 P 常数l 上式中：l v 2 为气体的动压，也称为速度头。l P 为气体的静压。l 所以伯努利定理也可以叙述为：气流沿流管稳定流动过程中，气流的动压和静压之和始终等于常数。所以气流的流速大(即动压力大)的地方，静压力小；流速小(即动压力小)的地方，静压力大。l 把连续性定理和伯努利定理，结论如下：l 气流稳定流动时，凡
22、是流管细的地方，流速就大，压力就小；凡是流管粗的地方，流速就小，压力就大。l 1、附面层的概念l 当气流流过物体表面时，由干空气中具有粘性，在物体表面上总要附着一层空气，这层空气速度为零，紧靠静止空气层外的空空气层，因受静止空气层粘性摩擦作用，气流速度也要降低，但这种作用较弱，因而速度不会降为零。再往外，逐层相互间均产主粘性摩擦作用，但逐步减弱。这样，在物体表面上就形成一层空气层，流速由零逐渐增大，到定距离后，流速才与迎面气流速度相等。我们把物体表面这一层气流流速从零逐渐增加到迎面气流流速的流动空气层称为附面层。附面层又称为边界层。l 2、附面层的分类l 气流在附面层内的流动状态，按其性质的不
23、同，可分为层流附面层和紊流附面层两类。l 3、附面层的特点l 1）层流附面层：气流一层层有条不紊地流动，上层流速始终比下层流动要快，各层互不混淆，没有强烈的上下运动，靠近物体表面的流速较小，厚度较薄，一般在几毫米到十几毫米之间。l 2）紊流附面层：气流流动杂乱无章，流体微团上下窜动，而且出现有旋涡和横向运动，由于流体微团上下窜动，所以相邻各层的流速差别较小，靠近物体表面处的流速较大，速度梯度变化大，厚度较厚，在十几毫米到几十毫米之间。l 3）转捩点：在层流附面层与紊流附面层之间有一个过渡的区域，这个区域很小，通常就把它看成一个过渡点，这一点被称为转捩点。l 转捩点靠前，说明紊流附面层区域较大，摩擦阻力较大，转捩点靠后，说明层流附面层区域较大，摩擦阻力较小。l 转捩点的位置随气流速度、气流原始的紊乱程度以及物体表面的光洁度而改变。l 为了减小飞机在飞行中的摩擦阻力，尽可能的保持大的层流附面层区域，减少紊流附面层区域。
