
对于升力和诱导阻力的概念理解有误。升力是垂直于来流方向,而不是“竖直”向上
诱导阻力也一样,是升力在来流方向上的分量,而不是水平分量
在一般的流体力学中都没有引入重力的作用,可以视为无重力场,怎么可能存在竖直和水平方向
在不考虑上下压差的情况下,升力始终垂直于来流方向,没有诱导阻力。考虑上下压差的情况下,机翼前缘会有垂直于来流的速度矢量,所以最后和机翼相遇的来流方向和最初的自由来流有一个夹角。这个时候升力在来流方向上就有分量了,这个分量就是诱导阻力
———————————————————————————————————————————
在这里更细致地解释一下气动力的概念,也希望对流体感兴趣的同学在学习中一定要注意对概念的理解。实际上编辑这样一个概念性问题的答案是很耗时的,而得到这个答案的解答却只需要非常基本的流体力学知识
接下来我会解释一下气动力的一些基本概念。在国外做了很长时间PhD,当年在国内也是上的英文教材,有些概念的中文说法我反而不是特别熟悉,有些地方我会倾向于用英文解释,这样比我二次转化为汉语更准确一些,也可以更方便的引用一些资料,忘见谅
—————————————————————————————————————
定义:
气动力可以分为升力lift和阻力drag。 而他们的定义可以归结为(链接:
)
When an airfoil (or a wing) is moving relative to the air it generates an aerodynamic force, in a rearward direction at an angle with the direction of relative motion. This aerodynamic force is commonly resolved into two components:
注意到,升力的定义是垂直于相对运动方向的力,如果我们选取翼形的随体坐标系进行分析,那么这个relative motion就变为了流体向翼形的运动。在我们这里讨论的这个定常问题中,这个相对运动就是流体以速度V∞向翼形运动。因此,只有垂直于relative motion vector V∞的“分力”才能被称为lift,因此即使图中的合力R存在,也只有它的分力Fri才能被称为升力,Fxi是阻力
而诱导阻力(升致阻力),induced drag(lift-induced drag),顾名思义,就是因为升力的产生才会被引入的力。其定义是,由于流场中的固体改变了来流的方向,从而产生的阻力(链接:
)
Induced drag is a
force that occurs whenever a moving object redirects the airflow coming at it.
所以,induced drag产生的原因是什么?是物体使coming at it的流动,也就是前流场发生偏转。换言之,前流场没有偏转,则不存在诱导阻力
—————————————————————————————————————
原野同学的质疑有一部分是没错的,根据升力自己的定义,升力是不会产生阻力方向的分量的。但是这个考虑忽略了一点,那就是升力产生的机理:表面压强积分不为零。在产生正升力的情况下,很容易联想到,机翼下表面的压强是大于上表面的。因此,会有一部分流体在靠近机翼前缘的位置发生垂直于来流方向的运动。此时,真正进入物体的来流速度V'∞会和V∞产生一个夹角,而根据定义,真实的升力Leff应该是垂直于V'∞而不是V∞。但是根据习惯,我们仍然把升力定义为垂直于V∞的力L,这个时候Leff就会有一个平行于来流V∞的分量,这个力才是诱导阻力。下图才是Induced Drag正确的矢量图
当然,下面
同学给出的图看起来很有道理,气动力的合力不应该是沿R方向吗?那才是升力吧?
那么为什么流体力学里有这么奇怪的定义呢?因为在人们最初研究流体时,研究的是无粘不可压流动。实际上一个惊人的事实是,在无粘不可压流动中,忽略induced AOA的问题(这里涉及到有旋的概念,不展开了,实际上“忽略”词都不准确),此时只能积分得到垂直于来流方向的力,而平行于来流的力始终为0!也就是没有阻力!原野同学给出的力R不存在,而只存在力Fri。这就是非常著名的D'Alembert's Paradox。这里不赘述D'Alembert's Paradox的证明,给出资料,有兴趣的可以自己复习一下。
'Alembert's_paradox
实际上大家都应该有印象,D'Alembert's Paradox虽然违反实际概念,但在数学和物理上双重成立。这是一个非常惊人而且困扰了流体界很多年的问题。之后的Potential Flow理论也很好地验证了这一点,即在无粘不可压条件下,升力垂直于来流方向。基于这些早期理论的发展,力学家们把升力定义为垂直于来流方向,并沿用至今。
之后,大家逐渐发现了阻力产生的原因。由于上下表面压差会形成vortex,产生诱导阻力;由于黏性的存在,存在friction;甚至还有更复杂的压差阻力form drag(往往与wake相关,不展开),波致阻力wave drag等等。这时气动合力这个概念就显现了价值,也就是原野同学提到的合力R。但是不管怎么样,这个力本质上仍然是升力与许多阻力的合力,将升力分离出来之后,仍然不影响我们使用过去对升力的定义,因此这一习惯也就保留至今。原野同学所分解的R,不仅包含诱导阻力,更是所有阻力的和,是真正的Aerodynamics drag
最后分享一下Nasa的一个科普文章,非常好地解释了飞机的各种阻力
