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升力解读主要内容谬误
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升力解读主要内容谬误 空气动力学基础理论中的伪命题 张 雨 田 空气动力学基础理论根据等高度头的伯努利定律得出：翼型上表面高点是绕流气流压力的最低点。然而，定常场论认为：气流流程终点是压力的最低点。矛盾提示潜伏谬误。等高度头的 伯努利定律以能量守恒为基础，实质是“以速定压”:流速大的地方，压力小；流速小的地方，压力大。空气是具压、弛双向蓄势状态的弹性介质。暂且搁置弹性与“理想气体”不可压缩性的差异。如果注意到，压能不是空气唯一与压力相关的弹性势能，就会发现对翼型做绕流运动的气流中不仅仅是压能与动能间的能量形式转换。另一种与压力相关的弹性势能——弛能的认知动摇了“以速定压”的正确性。 如将一根弹簧压缩则弹簧具有压能；反之，将其拉伸则弹簧具有弛能。压缩和拉伸是弹簧的两种蓄势状态，压能和弛能都是弹簧的弹性势能。在弹性限度内，形变与形变应力正相关，但压能和弛能具方向相反的形变应力。 空气也是有压、弛两种蓄势状态的弹性介质。如将风箱的进出气口暂时封堵并推进活塞，则活塞前方气室的空气受到挤压，压力升高高于环境压力，具有压能；活塞后方气室的空气受到张弛，压力降低低于环境压力，具有弛能。压能和弛能分别是由于空气分子间距减小和增加由分子间的斥应力、引应力产生的弹性势能。 如果增加活塞的推进量，则活塞前后两室的压能、弛能能值增加。前室压力变得更高；后室压力变得更低。这表明：压能与压力正相关；弛能与压力倒相关。 假设活塞与箱壁间的气密性不佳，则活塞推进后甚至推进过程中，前室的空气将经活塞与箱壁间的缝隙流向后室。缝隙的过流截面很小，前室至缝隙的流线收敛，流速沿流线递增，压力递减，气流压能逐渐转换为动能；后室流线发散，自缝隙起流速递减气流动能逐渐转换为弛能而非压能前室深部流线“起势”处和后室深部流线“收势”处分别是全流程压力的最高点和最低点所以后室内的。压力亦然沿流线递减。前室内流速小的地方压力大，流速大的地方压力小，与“以速定压”吻合；后室内流速大的地方压力大，流速小的地方压力小，与“以速定压”相悖。无论前室、后室气流压力都是沿流线递降的。 实践证明，气流的压力分布遵循位函数定常场论的规律：空气流动的流程是从高压缩、高压能状态递降至低压缩、低压能状态的降压失能过程。压力差与流动为因果关系，流动不能改变流程起点压力最高终点压力最低，压力沿流线递降的基本面。后室深部流程终点永远是压力的最低点。过流截面最小、流速最大的缝隙处不是压力的最低点，而是前后两室压力的中值点。 “以速定压”的正确性只能复盖流线收敛的压能段，不能复盖流线发散的弛能段。 人类生活在大气圈的下层，飞行活动与环境压力息息相关。在以环境压力为起算点的计压系统中，压力友正负。正压力高于环境压力，蓄有压能；负压力低于环境压力，蓄有弛能。压能与压力正相关，能值越高压力越大；弛能与压力倒相关，能值越高压力越低。无论将环境压力的空气压缩使之具有压能，还是将其张弛使之具有弛能都需对其做功，支付相应数量的机械能。具压能的空气有膨胀释能倾向；具弛能的空气有收缩释能倾向。当同一系统中不同区域的空气分别具有压能和弛能时，则它们间的压力差能驱动空气从压能区向弛能区流动。 平动物体，例如行进中的交通工具，酷似风箱中的活塞，因前压后弛其周围的空气产生前正后负的一对压力偶极子，称平动物体的“活塞效应”。偶极子的压力差能驱动空气从前到后对交通工具做绕流运动。绕流气流上的诸点不论流速大小，压力都不低于偶极子负极点的压力。 飞行时，翼型对前方的空气挤压压力升高，高于环境压力具压能；对后方空气张弛压力下降，低于环境压力具弛能。翼型上表面空气压能与弛能并存于高点前、后。高点是压能段、弛能段的界限。高点以前气流速度递增压力递减，气流压能逐渐转换为动能；高点以后虽气流流速递减但气流动能转换为弛能而非压能。于是，绕流气流终点，动能全部转换为弛能的后驻点压力最低。上表面高点过流截面最小、流速最大，但不是气流压力的最低点。 空气动力学基础理论对弛能认知的缺失，对能量形式转换的误判导致升力解读合力作用点前置。翼型上表面的升力贡献率集中于自高点起至后驻点的后段，而非近高点处。所谓“升力型”翼型以及“升力型”与“阻力型”翼型的区别不存在。 伯努利定律和方程中的“压力头”应解读为包括压能和弛能在内的弹性势能。在流线收敛的地方为压能；在流线发散的地方为弛能。 “翼型上表面高点是气流压力最低点”的结论是伪命题,是升力解读的首谬。 [参考文献]：王细洋主编《航空概论》 北京 航空工业出版社 2004年 |
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