本文要點

飛機機翼在飛行過程中會受到三到四個力的作用。

流體流過機翼產生升力，使飛機能夠上升和巡航。

升力和作用在機翼上的其他力的大小取決于機翼的形狀和方向。

我們可能在直覺上認為飛機機翼負責讓飛機在空中一直飛行。但在飛行過程中機翼是如何產生升力的呢？本文將介紹飛機機翼的工作原理——在基礎層面上，解釋飛行原理時并不涉及復雜的數學計算；而要進一步了解更復雜的行為，則需要借助 CFD 仿真來計算和可視化復雜系統中的流體流動。

01

飛機機翼的工作原理

所有飛機機翼運行起來依靠的都是一些簡單的原理，涉及流體在頂部和底部表面的流動。在飛行過程中，飛機機翼上的氣流將產生四個主要空氣動力中的兩個。首先，我們需要通過一張簡單的自由體示意圖來介紹作用在機翼上的力。在下圖中，有兩個主要的空氣動力作用在機翼上。升力和阻力與迎角（機翼的方向）、機翼的形狀以及空氣在機翼上的流速直接相關。

機翼形狀、升力和阻力。

在飛行過程中，共有四種主要的空氣動力作用在飛機上。分別是：

1

升力

升力是由流過機翼的流體產生的，它抵消了重力，由經過機翼下方的氣流產生。

2

阻力

當流體沿著飛機的機身流動時，由于沿機翼表面摩擦，流體產生了阻力。此外還有壓差阻力，它阻礙飛機向前運動。

3

推力

噴氣發動機驅動的飛機使用推力來產生創造升力所需的相對速度。直升機沒有噴氣推進器，而是依靠旋翼葉片的運動來產生所需的升力。

4

重力

飛機具有一定的重量，所有的飛機都會受到重力的影響。重力的方向始終向下。

現在我們已經定義了這四個力，下面必須從流體流動的角度來理解其中的兩個力：升力和阻力。這兩個力與周圍空氣穿過機翼的相對速度有關。當空氣流過機翼時，它的流速和流動密度將決定作用在飛機上的主要的力。

阻力

阻力會使飛機減速，以兩種形式出現：壓差阻力和表面摩擦阻力。壓差阻力基于飛機的形狀，與飛機迎風的速度有關，在飛機的前面形成了一個高壓區。壓差阻力會抵消推力，機身上的低剖面設計有助于減少壓差阻力。

作用在飛機機翼上的表面摩擦阻力更為顯著。這種力是由于在飛機的頂部和底部表面形成了一個邊界層。理想情況下，我們希望邊界層中的流體流動始終是層流式的。然而，隨著飛機速度增加，邊界層中的流體流動將變得不穩定，沿著機翼后緣形成渦流。根據迎角和空氣速度的不同，渦流的形成將產生過大的阻力，極大地阻礙推力和升力。

升力

流經機翼的流體會產生升力，因為機翼頂部和底部的流速是不同的。沿著機翼底部的風速較慢，在機翼下方形成一個高壓區。由于機翼橫截面處存在壓力梯度，這就產生了一個垂直凈力。上圖直觀地展示了一個簡單的機翼。

在數學上，機翼產生的壓力梯度取決于幾個因素，直接計算機翼頂部和底部的風速可以得出壓力大小。知道風速之后，就可以用伯努利原理分析對壓力梯度的影響。壓力梯度也可以直接計算得出，但需要求解流體力學中的主要運動方程。

02

機翼設計需要借助仿真

機翼的尺寸、截面形狀和方向各不相同，這將產生不同的升力和阻力。此外，迎角將決定升力的大小，以及飛機在失速發生前的最大爬升速度。由于在飛機機翼設計中涉及到許多參數，并且基本方程可能相當復雜，通常會使用 CFD 仿真來模擬作用于飛機的氣流和升力。這是飛機設計的一個重要部分，需要借助合適的仿真軟件來采用先進的數值技術，從而求解流體動力學的主要方程。

無論是學習飛機機翼的工作原理，還是設計先進的航空系統，都可以使用 Cadence 的整套 CFD 仿真軟件來模擬流體行為和由此產生的空氣動力學力。網格劃分工具 Pointwise 可從物理設計數據中生成數值網格，Omnis 3D Solver 仿真應用則采用了先進的數值方法，以確定系統中的流體行為。這兩款應用是系統設計師的得力助手，提供了用于設置和運行 CFD 仿真所需的一切功能。