固定翼无人机飞行原理

自学任务

地面效应★重点内容

固定翼无人机空气动力

固定翼无人机的总空气动力可以分解为升力和阻力，升力竖直向上克服重力做功，阻力向后与飞行速度方向相反，阻碍飞机前进。

地面效应★重点内容

地面效应的定义：★重点内容

地面效应指当无人机贴近地面或水面进行低空飞行时，由于地面或水面对机翼表面气流的干扰，使其无法形成翼尖涡流诱导阻力减小，机翼下表面气流阻滞流速减慢，机翼上下压差增大升力增大，获得比空中飞行更高的升阻比。

地面效应对飞行的影响与固定翼无人机距地面高度有关。当机翼距地面的高度等于1个翼展时，诱导阻力仅降低1.4％；当机翼距地面高度等于1/10个翼展时，诱导阻力大约降低48％。因此，通常固定翼无人机距地面高度小于1个翼展时，地面效应才起作用。这种影响随离地面高度的增加而迅速减小。

固定翼无人机在起飞和着陆阶段是贴近地面飞行的，在此阶段，地面效应对固定翼无人机有一定的影响。由、在面效应中，诱导阻力减小，升力系数增大，因此，机翼只要较小的迎角就能产生相同的升力系数'或者维持迎角不变'升力系数会增大。同时诱导阻力的降低，也导致了所需推力的降低。

固定翼无人机起飞后脱离地面效应影响开始爬升时，由于机翼周围气流恢复正常且诱导阻力急剧增大，升力系数降低，维持飞行所需的拉力和速度也大幅增加。如果固定翼无人机低于正常起飞速度起飞时，由于地面效应的影响，固定翼无人机可以飞起来，但是一旦离开地面效应区，诱导阻力增大，所需推力也增大，固定翼无人机速度可能会低于正常爬升速度，这样飞机就会重新回到跑道上。

所以固定翼无人机不能低于正常爬升速度起飞，不然固定翼无人机可能栽到跑道上。在着陆阶段，也必须重视地面效应的影响。在降落时，尤其是接地前，固定翼无人机的升力系数会增大，诱导阻力会减小，固定翼无人机好像浮在一个气垫上，产生“漂浮"现象。因此，在固定翼无人机接近地面的最后进近阶段，需要减小油门，防止发生“漂浮"。

雷诺数★重点内容

雷诺数（Reynolds number）是一种可用来表征流体流动情况的无量纲数，以Re表示。。在流体力学中，雷诺数是指给定来流条件下，流体惯性力和黏性力的比值。雷诺数的大小决定了黏性流体的流动特性，雷诺数越小意味着黏性力影响越显著，雷诺数越大则惯性力影响越显著。雷诺数很小的流动，其黏性影响遍及全流场；雷诺数很大的流动（例如一般飞行器绕流），其黏性影响仅在物面附近的边界层或尾迹中才显著。在不同的流动状态下，流体的运动规律、流速的分布等都是不同的，因此雷诺数的大小决定了黏性流体的流动特性。雷诺数的计算公式为R_e=ρvd/ŋ

式中v，ρ，ŋ，分别为流体的流速、密度与黏性系数；d为一特征长度。如同水或油有黏性一样，空气有比水或油小的黏性。雷诺数在计算飞行器的阻力特征时很重要，飞行器在空气中飞行所遇到的阻力主要分为摩擦阻力和压差阻力两种，空气的黏性与这两种阻力的大小有密切关系。雷诺数被用来分析不同的流体特征，比如层流和乱流：雷诺数小，意味着流体流动时各质点间的黏性力占主要地位，呈层流流动状态；雷诺数大，意味着惯性力占主要地位，流体呈紊流（也称湍流）流动状态。一般雷诺数Re<2300为层流状态，Re>4000为紊流状态，在2300～0佣之间为过渡状态。

雷诺数是流体中的惯性力与粘性力之比，该流体由于不同的流体速度而经受相对的内部运动。这些力改变行为的区域称为边界层，例如管道内部的边界表面。通过将高速流体流引入低速流体中，例如从空气中的火焰中释放出的热气体，可以产生类似的效果。这种相对运动会产生流体摩擦，这是产生湍流的一个因素。抵消这种影响的是流体的粘度，它倾向于抑制湍流。对于给定的流动条件，雷诺数量化了这两种力的相对重要性，它是在特定情况下何时发生湍流的指南。[6]

这种预测湍流发生的能力是设备（例如管道系统或飞机机翼）的重要设计工具，但是雷诺数还用于解决流体动力学问题，并用于确定两种不同情况之间的动力学相似性。流体流动，例如模型飞机与其全尺寸版本之间的流动。这种缩放不是线性的，雷诺数在两种情况下的应用都可以开发缩放因子。

关于层流和湍流状态：

层流在低雷诺数下发生，其中粘性力占主导地位，其特征是平稳，恒定的流体运动。

湍流在高雷诺数时发生，并受惯性力支配，惯性力往往会产生涡旋，涡旋和其他流动不稳定性。[7]

雷诺数（Re）是流体力学中一个重要的无量纲量，用于帮助预测不同流体流动情况下的流动模式。在低雷诺数下，流动往往以层流（片状）为主，而在高雷诺数下，湍流是由流体速度和方向的差异引起的，有时可能相交甚至与流动的整体方向相反（涡流）。这些涡流开始搅动流体，消耗了过程中的能量，这对液体来说增加了空化的机会。雷诺数具有广泛的应用范围，从管道中的液体流到飞机机翼上的空气通过。它用于预测从层流到湍流的过渡，并用于缩放相似但大小不同的流量情况，例如在风洞中的飞机模型和全尺寸版本之间进行缩放。湍流发作的预测和计算水垢效应的能力可用于帮助预测更大范围的流体行为，例如局部或全球空气或水的运动，从而预测相关的气象和气候效应。

这个概念是由乔治·斯托克斯（GeorgeStokes）于1851年提出的[2]，但雷诺数是由奥斯诺·雷诺兹（OsborneReynolds（1842-1912））于1908年由ArnoldSommerfeld命名的，奥斯曼·雷诺兹（OsborneReynolds）（1842-1912）在1883年将其推广使用。[4][5]

当物体在大气中移动时，物体附近的大气中的气体分子会受到干扰并在物体周围移动。在气体和物体之间产生空气动力。这些力的大小取决于物体的形状，物体的速度，物体所流经的气体的质量以及气体的其他两个重要属性。气体的粘度或粘性，以及气体的可压缩性或弹性。为了正确地模拟这些影响，空气动力学专家使用相似性参数，这些参数是这些影响与问题中存在的其他力的比率。如果两个实验的相似性参数具有相同的值，则将正确模拟力的相对重要性。空气属性的代表值在另一页上给出，但是参数的实际值取决于气体的状态和高度。

空气动力以复杂的方式取决于气体的粘度。当物体在气体中移动时，气体分子会粘附在表面上。这会在表面附近创建一层空气，称为边界层，实际上会改变对象的形状。气流对边界层的边缘起反应，就好像它是对象的物理表面一样。为了使事情更加混乱，边界层可能会与人体分离，并形成与物理形状大不相同的有效形状。更令人困惑的是，边界层及其附近的流动条件通常不稳定（随时间变化）。边界层对于确定对象的阻力非常重要。为了确定和预测这些条件，空气动力学专家依靠风洞测试和非常复杂的计算机分析。

粘度的重要相似性参数是雷诺数。雷诺数表示惯性力（抵抗变化或运动）与粘性力（重和胶态）的比率。通过对动量守恒方程的详细分析，惯性力的特征在于密度r乘以速度V乘以速度dV/ dx的梯度。粘性力的特征在于动态粘度系数μ乘以速度的第二梯度d^ 2V / dx ^ 2。然后，雷诺数Re变为：

速度的梯度与速度除以长度刻度L成正比。类似地，速度的二阶导数与速度除以长度刻度的平方成正比。

雷诺数是无量纲数。参数的高值（大约一千万）表明粘性力很小，并且流动基本上是不粘的。然后可以使用Euler方程对流进行建模。参数的低值（大约为100）表明必须考虑粘性力

随堂测验

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