翼型術語及升力係數

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引言

翼型術語和升力係數是確定飛行器設計的關鍵概念。您是否曾經想過飛機是如何停留在空中的？是什麼樣的設計使它們能夠翱翔於天空？答案與問題一樣有趣。

讓我們從討論有助於飛機保持在空中的力開始。共有四種力，我們稱之為阻力、推力、重力以及升力。它們共同使飛機能夠飛行。其中，升力的概念最為顯著。事實上，如果沒有升力，任何飛機都無法將自己從地面抬升哪怕一英寸。但升力是如何產生的呢？我們也有答案。當物體在空氣中移動時，它“推動”周圍的空氣分子為其讓路，從而產生空氣動力。可以將這種空氣動力分解成兩個分量，即阻力和升力。升力“提升”物體，而阻力則趨於減慢其運動。為了使物體能夠飛行，升力和阻力之間必須達到平衡。而翼型正是使這種平衡成為可能的因素。在本文中，我們將探討翼型的概念。

什麼是翼型？

翼型是物體橫截面的形狀，經過設計以產生阻力和升力之間最有利的比率。在下圖中，您可以看到一些翼型的示例，以及它們的用途和尺寸。

正如我們剛才討論的，物體需要在升力和阻力之間取得平衡才能飛行。翼型背後的理念是創造出能夠在減小阻力的同時增加升力的曲線形狀，即最大化效率。有趣的是，飛機並不一定需要利用翼型才能飛行。實際上，有很多形狀都可以產生升力和阻力。即使是平板理論上也可以做到這一點。然而，翼型比平板產生更大的升力，並且所承受的阻力明顯更小。

翼型術語

以下是理解翼型工作原理的一些重要術語。我們建議您檢視附圖以最大程度地提高您的理解。

• 前緣 - 翼型的前緣是前緣，它在翼型的所有其他部分之前與空氣粒子碰撞。

• 後緣 - 可以將其視為翼型的尾部。它是翼型最後與空氣分子相互作用的最後部分。

• 絃線 - 絃線是連線翼型前後緣的直線。根據翼型的形狀，它可能位於翼型外部。這條線的長度（稱為弦長）是描述翼型的重要引數。

• 迎角 - 這是絃線與翼型穿過空氣時的空氣相對方向所成的角度。請記住：迎角會顯著影響翼型產生的升力。

• 上表面 - 可以將其與低壓和高速聯絡起來的翼型表面稱為吸力面或上表面。它位於翼型的上方，正如其名稱所示。

• 下表面 - 下表面與上表面相反，並承受高靜壓。它也稱為壓力面。

• 曲率線 - 如果你從翼型的 leading edge 到 trailing edge 取所有中點並用一條線連線它們，你就會得到曲率線。這條線與絃線的距離稱為曲率。

翼型如何產生升力？

在上圖中，您可以看到一個翼型在空氣中移動，以及空氣粒子的相對運動。請注意，空氣粒子傾向於“粘附”在翼型上。也就是說，它們遵循與翼型形狀相同的路徑。由於翼型具有曲線形狀，空氣分子也被迫遵循曲線路徑。

由於這種氣流的曲線性質以及翼型的迎角，當空氣分子與翼型的 leading edge 碰撞時，大部分空氣分子會轉向翼型的下側或壓力面。簡單來說，翼型下方比上方有更多的空氣。自然地，在這種情況下，翼型上方和下方會存在壓力差。由於這種壓力差，翼型下方的空氣將其向上推，從而產生所謂的升力。此外，翼型的曲面確保升力和阻力之間的比率最有利於飛行。因此，翼型使飛機能夠飛行。

升力係數

為了描述翼型產生的升力與其面積以及周圍介質的速度和密度之間的關係，我們使用一個稱為升力係數的量。從數學上講，這個升力係數是無量綱的，當產生的升力越大時，它就越大。

讓我們從升力方程開始

$$\mathrm{L=C_L\times \frac{1}{2} ρv^2 A}$$

這裡：

• L = 產生的升力。

• C_L = 升力係數

• ρ = 流體的密度

• v = 流體的速度

• A = 翼型的面積。

求解上述升力係數方程得到

$$\mathrm{C_L=\frac{2L}{ρv^2 A}=\frac{L}{qA}}$$

這裡，q 是流體的動壓。升力係數包含關於升力對各種因素（如翼型形狀、空氣粘度、可壓縮性等）的依賴性的資訊，並透過實驗確定。

翼型的型別

根據翼型的幾何形狀，我們可以將其分為以下兩類：

對稱翼型

在對稱翼型中，上下表面是全等的。絃線與曲率線重合，並將翼型完美地分成兩個相等的部分。對稱翼型用於直升機葉片。這類翼型的一個有趣的特性是，如果迎角為零，它們不會產生升力。

非對稱翼型

在非對稱翼型中，絃線和曲率線不重合。後者具有更大的曲率並位於絃線上方。這類翼型提供更好的升阻比，即使在迎角為零時也能產生升力。但是，它們的經濟性不如對稱翼型。

結論

當我們駕駛飛機時，升力、推力、阻力和重力都會發揮作用。其中，升力和阻力緊密相關，並由於空氣動力而產生。升力是將飛機推向空中的力，而阻力則會減慢其速度。翼型是具有曲線的橫截面形狀，以提供升力和阻力之間最有效的比率。它們透過在其下方推動更大數量的空氣來產生升力，從而導致壓力差。翼型分為

對稱型和非對稱型，後者提供更好的升力，但經濟性較差。

常見問題

1.誰設計併發明瞭翼型？

翼型的第一個概念是由一位名叫馬克斯·蒙克的德國數學家提出的。在20世紀20年代，赫爾曼·格勞厄特進一步完善並改進了它們的設計。

2.翼型在哪裡使用？

所有飛機和直升機都在其機翼和旋翼中使用翼型。風力渦輪機也具有翼型形狀。航空航天領域對翼型的使用最多。

3.有助於飛機飛行的四種力的意義是什麼？

• 飛機的重量將其向下推。

• 推力是使其向前移動的力。

• 阻力會減慢其速度。

• 升力將其向上推。

在研究飛機時，必須考慮所有四種力。

4.在哪個迎角下產生最大的升力？

在臨界迎角或失速迎角時，升力最大。其值取決於許多因素。對於大多數翼型而言，它在 15° 到 20° 之間。

5. 翼型概念是否也適用於液體？

是的。當物體在液體中運動時，物理原理幾乎相同。但是，在這種情況下，我們使用水翼（hydrofoil）一詞而不是翼型（aerofoil）。