本文要點(diǎn)

飛機(jī)機(jī)翼在飛行過程中會(huì)受到三到四個(gè)力的作用。

流體流過機(jī)翼產(chǎn)生升力，使飛機(jī)能夠上升和巡航。

升力和作用在機(jī)翼上的其他力的大小取決于機(jī)翼的形狀和方向。

我們可能在直覺上認(rèn)為飛機(jī)機(jī)翼負(fù)責(zé)讓飛機(jī)在空中一直飛行。但在飛行過程中機(jī)翼是如何產(chǎn)生升力的呢？本文將介紹飛機(jī)機(jī)翼的工作原理——在基礎(chǔ)層面上，解釋飛行原理時(shí)并不涉及復(fù)雜的數(shù)學(xué)計(jì)算；而要進(jìn)一步了解更復(fù)雜的行為，則需要借助 CFD 仿真來計(jì)算和可視化復(fù)雜系統(tǒng)中的流體流動(dòng)。

01

飛機(jī)機(jī)翼的工作原理

所有飛機(jī)機(jī)翼運(yùn)行起來依靠的都是一些簡單的原理，涉及流體在頂部和底部表面的流動(dòng)。在飛行過程中，飛機(jī)機(jī)翼上的氣流將產(chǎn)生四個(gè)主要空氣動(dòng)力中的兩個(gè)。首先，我們需要通過一張簡單的自由體示意圖來介紹作用在機(jī)翼上的力。在下圖中，有兩個(gè)主要的空氣動(dòng)力作用在機(jī)翼上。升力和阻力與迎角（機(jī)翼的方向）、機(jī)翼的形狀以及空氣在機(jī)翼上的流速直接相關(guān)。

機(jī)翼形狀、升力和阻力。

在飛行過程中，共有四種主要的空氣動(dòng)力作用在飛機(jī)上。分別是：

1

升力

升力是由流過機(jī)翼的流體產(chǎn)生的，它抵消了重力，由經(jīng)過機(jī)翼下方的氣流產(chǎn)生。

2

阻力

當(dāng)流體沿著飛機(jī)的機(jī)身流動(dòng)時(shí)，由于沿機(jī)翼表面摩擦，流體產(chǎn)生了阻力。此外還有壓差阻力，它阻礙飛機(jī)向前運(yùn)動(dòng)。

3

推力

噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的飛機(jī)使用推力來產(chǎn)生創(chuàng)造升力所需的相對(duì)速度。直升機(jī)沒有噴氣推進(jìn)器，而是依靠旋翼葉片的運(yùn)動(dòng)來產(chǎn)生所需的升力。

4

重力

飛機(jī)具有一定的重量，所有的飛機(jī)都會(huì)受到重力的影響。重力的方向始終向下。

現(xiàn)在我們已經(jīng)定義了這四個(gè)力，下面必須從流體流動(dòng)的角度來理解其中的兩個(gè)力：升力和阻力。這兩個(gè)力與周圍空氣穿過機(jī)翼的相對(duì)速度有關(guān)。當(dāng)空氣流過機(jī)翼時(shí)，它的流速和流動(dòng)密度將決定作用在飛機(jī)上的主要的力。

阻力

阻力會(huì)使飛機(jī)減速，以兩種形式出現(xiàn)：壓差阻力和表面摩擦阻力。壓差阻力基于飛機(jī)的形狀，與飛機(jī)迎風(fēng)的速度有關(guān)，在飛機(jī)的前面形成了一個(gè)高壓區(qū)。壓差阻力會(huì)抵消推力，機(jī)身上的低剖面設(shè)計(jì)有助于減少壓差阻力。

作用在飛機(jī)機(jī)翼上的表面摩擦阻力更為顯著。這種力是由于在飛機(jī)的頂部和底部表面形成了一個(gè)邊界層。理想情況下，我們希望邊界層中的流體流動(dòng)始終是層流式的。然而，隨著飛機(jī)速度增加，邊界層中的流體流動(dòng)將變得不穩(wěn)定，沿著機(jī)翼后緣形成渦流。根據(jù)迎角和空氣速度的不同，渦流的形成將產(chǎn)生過大的阻力，極大地阻礙推力和升力。

升力

流經(jīng)機(jī)翼的流體會(huì)產(chǎn)生升力，因?yàn)闄C(jī)翼頂部和底部的流速是不同的。沿著機(jī)翼底部的風(fēng)速較慢，在機(jī)翼下方形成一個(gè)高壓區(qū)。由于機(jī)翼橫截面處存在壓力梯度，這就產(chǎn)生了一個(gè)垂直凈力。上圖直觀地展示了一個(gè)簡單的機(jī)翼。

在數(shù)學(xué)上，機(jī)翼產(chǎn)生的壓力梯度取決于幾個(gè)因素，直接計(jì)算機(jī)翼頂部和底部的風(fēng)速可以得出壓力大小。知道風(fēng)速之后，就可以用伯努利原理分析對(duì)壓力梯度的影響。壓力梯度也可以直接計(jì)算得出，但需要求解流體力學(xué)中的主要運(yùn)動(dòng)方程。

02

機(jī)翼設(shè)計(jì)需要借助仿真

機(jī)翼的尺寸、截面形狀和方向各不相同，這將產(chǎn)生不同的升力和阻力。此外，迎角將決定升力的大小，以及飛機(jī)在失速發(fā)生前的最大爬升速度。由于在飛機(jī)機(jī)翼設(shè)計(jì)中涉及到許多參數(shù)，并且基本方程可能相當(dāng)復(fù)雜，通常會(huì)使用 CFD 仿真來模擬作用于飛機(jī)的氣流和升力。這是飛機(jī)設(shè)計(jì)的一個(gè)重要部分，需要借助合適的仿真軟件來采用先進(jìn)的數(shù)值技術(shù)，從而求解流體動(dòng)力學(xué)的主要方程。

無論是學(xué)習(xí)飛機(jī)機(jī)翼的工作原理，還是設(shè)計(jì)先進(jìn)的航空系統(tǒng)，都可以使用 Cadence 的整套 CFD 仿真軟件來模擬流體行為和由此產(chǎn)生的空氣動(dòng)力學(xué)力。網(wǎng)格劃分工具 Pointwise 可從物理設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)中生成數(shù)值網(wǎng)格，Omnis 3D Solver 仿真應(yīng)用則采用了先進(jìn)的數(shù)值方法，以確定系統(tǒng)中的流體行為。這兩款應(yīng)用是系統(tǒng)設(shè)計(jì)師的得力助手，提供了用于設(shè)置和運(yùn)行 CFD 仿真所需的一切功能。