近自由表面升力线理论研究

发布时间：2020-04-17 15:16

【摘要】：升力理论是流体力学的重要组成部分,其中Prandtl升力线理论的提出极大的促进了当时航空工业的发展。近年来,随着地效翼船技术的快速发展,对近自由表面升力理论的研究越来越多,主要集中于对地效作用物理机理的探究以及提供简单高效精确的地效翼升力计算方法。在这一背景之下,升力线理论由于物理概念清晰简单,重新引起了许多学者的重视,他们将无限流域的升力线理论拓展到了近自由表面,用以计算地效翼升力和水翼升力,并取得了较为精确的计算结果。本文在前人的研究基础之上,对近自由表面升力线理论进行了进一步的研究和探索。首先,基于势流理论,本文给出了近自由表面上方定常移动问题的控制方程和边界条件,并基于微幅波特点对自由表面边界条件线性化。在此基础之上,推导了近自由表面定常移动点涡的速度势。随后,本文选取最简单的情况,即以单根升力线为例,对近自由表面升力线理论进行了进一步探究。通过理论推导以及对文献中的实验现象的具体分析,本文发现,当升力线靠近自由表面或者地面时,其自由涡不再与附着涡垂直,而是在升力线所在平面内,向外水平偏移一定的角度。本文将这一现象命名为侧洗,这一角度命名为侧洗角,并将形状发生改变的升力线命名为(?)型涡线。接下来,本文推导了侧洗角的计算公式,并将相关文献中数据带入该计算公式进行计算。结果表明,侧洗角与涡线环量以及涡线与自由表面之间的距离有关,且其大小和下洗角大小相当。基于侧洗现象,本文给出了近自由表面升力线相应的诱导升力的定义和计算方法,并推导了近自由表面上方定常移动的(?)型涡线的格林函数。然后,根据(?)型涡线格林函数,推导了近自由表面(?)型涡线所受的总的升力和诱导升力计算公式,并带入数据进行具体计算。结果发现,一定条件下诱导升力占总升力的2%~5%,因此在利用升力线理论计算地效翼升力时,应当考虑侧洗效应;另一方面,考虑自由表面效应的(?)型涡线产生的诱导升力与其距离自由表面的距离和其自身速度有关,诱导升力将会随着升力线距离自由表面的距离的增大而减小,随着(?)型涡前进速度的减小而增加。以上研究,都是针对自由表面上方单根涡线展开的。最后,本文提出了近自由表面定常移动升力线的修正理论,并将其用于地效翼升力计算;还对近自由表面升力线理论进行了拓展,使其能够适用于曲翼和掠翼等情况。
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：U661

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