寄生阻力

寄生阻力Parasitic drag)也称附加阻力杂散阻力废阻力,是指物体在流体中运动,由于流体黏度或压强差所造成之阻力。寄生阻力主要可以分为形状阻力form drag)、表面摩擦力摩擦阻力Skin friction)及干扰阻力interference drag)三种、其中形状阻力及表面摩擦力之和也称为型阻profile drag)。

飞机在飞行时,除了寄生阻力外,也会由于翼面产生升力而出现诱导阻力,低速时由于飞机要维持升力,需要加大攻角,而诱导阻力也随之提高。当速度提高时,诱导阻力下降,由于物体和流体之间的相对速度提高,寄生阻力也随之提高。若速度已到达穿音速超音速时,除了寄生阻力及诱导阻力外,还会产生波动阻力英语wave drag

其中速度提高时,诱导阻力下降,其他阻力却随之上升,因此总阻力会在某一速度时出现最小值,若飞机以此速度航行,其效率会等于或接近其最佳效率。飞行员会以此速度来使滑翔距离最大化。不过若要使续航力最大化,飞机的速度需保持在需输出功率最小的速度,此速度一般会比对应最小阻力的速度要小。在最小阻力点,零升力阻力系数英语Zero-lift drag coefficientCD,o(当升力为零时的阻力系数)会等于诱导阻力系数CD,i。但在输出功率最小的速度,零升力阻力系数会是诱导阻力系数的三分之一。阻力可以用下式来表示:

其中

是诱导阻力系数

形状阻力

形状及流场 形状
阻力
摩擦
阻力
  0% 100%
  ~10% ~90%
  ~90% ~10%
  100% 0%

形状阻力或是压差阻力,是指因物体形状而产生的阻力。在物体和流体之间有相对运动时,物体会影响流场的分布,使得物体后方的流体压强小于前方的流体压强,因此产生形状阻力。

由于流体和物体的速度不同,在物体边缘会有一区域的流体速度接近物体的速度,此区域称为边界层,若物体截面积变化较大,会使边界层分离的情形提早出现,边界层分离后,物体后方的流体压强会下降,也会增加其形状阻力。流线型的设计会渐进的改变物体的截面积,其目的也是为了减少形状阻力[1]。形状阻力和速度的平方呈正比,因此在高速飞行中格外重要。

表面摩擦力

表面摩擦力或摩擦阻力(Skin friction)是来自流体和有相对运动物体“表面”的摩擦力,和湿表面积(即物体和流体接触的表面积)有关。表面摩擦力和寄生阻力中的其他成分类似,可以用阻力方程表示,而且大约和速度平方成正比。

表面摩擦力系数 可以用下式定义[2]

 

其中

 为局部的壁剪应力
 为流体密度
 为自由流场的速度(一般会取不在边界层内区域的速度)

表面摩擦力系数和动量厚度有以下的关系:

 

干扰阻力

干扰阻力是空气流经邻近的二物体时,二个对流场的影响互相干扰,因而产生的阻力。例如飞机的机身、机翼及引擎单独放在流场中都会产生阻力,但将其组成一个整体后,其总阻力会比其个别阻力的和要大,干扰阻力就是说明此非线性的效果。

干扰阻力容易出现在二零件的交接处,例如飞机的机身及机翼的交接处,若在交接处增加镶片,使其交接处也呈流线性,可以减少干扰阻力的产生[3]

相关

脚注

  1. ^ 王怀柱,揭开飞行的奥秘,p3-4
  2. ^ Robort W. Fox, Introduction to Fluid Mechanics, p.406
  3. ^ 王怀柱,揭开飞行的奥秘,p3-8

参考资料