从流体力学的角度谈谈机翼！

导读：解决三个问题-为什么需要机翼？机翼如何产生升力？气流角对机翼产生的升力有何影响？

机翼的重要性

翼形在生活中有许多的应用，比如说飞机机翼、赛车的扰流板、涡轮机叶片等。

考虑到更容易理解，本文以飞机机翼作为研究对象。

引擎推动飞机前进，实际上是机翼产生了所有向上的升力使飞机飞向天空。

从下图可以观察到，飞机的机翼是由一组组翼形组成，如果了解了单个翼形如何产生升力，就能够明白机翼如何推动飞机升空。

当引擎推动机翼和飞机前进时，空气会掠过机翼表面，机翼因此产生升力，随后推动飞机升空。

机翼与升力

机翼产生升力的本质原因可以根据伯努利方程来解释：

当流体从点1运动到点2时，如果气流是加速，点2处的静压必须下降；反之，气流减速，点2处的静压则必须上升。

在往下继续走前，需要强调几个点：（1）压力总是垂直于表面；

（2）正压（大于大气压）作用于物体表面；

（3）负压（小于大气压）)产生远离表面的吸力。

机翼的工作原理就是利用机翼的形状改变机翼周围的流体速度，根据伯努利公式，速度变化会引起机翼周围压力的变化：

这些压力作用于机翼表面，并垂直于表面，压力的合力就是升力，使机翼和飞机飞离地面。

进一步分析机翼表面的压力分布。先分析机翼的上表面

气流会在机翼最大厚度附近先加速，后减速。根据伯努利方程，速度大于，所以压强减小，吸力在机翼表面起作用，将机翼往上拉，所以机翼上表面（吸力面）对升力有很大的贡献。

采用相同方法分析机翼下表面。

气流运动到机翼的前缘，气流会加速，使压力下降，因此会产生一个相对于表面的吸力，前缘附近产生吸力会把机翼往下拉，与升力的方向相反。

当气流从点2运动到点3时，气流会发生减速，结合伯努利方程可知，这部分的压力会上升，得到正压力，如上图所示，这部分的压力对机翼产生的升力也作出部分贡献。

通过对机翼表面的压力作积分，可以得到总的合力，合力的方向是倾斜向上和向后的。

这个合力可以分解为平行及垂直与流动方向的分离，阻力和升力。

飞行过程中，引擎产生的推进力必须超过整个飞机的阻力，机翼产生的升力必须超过整架飞机的重力。

如果我们把机头上抬会发生什么呢？

事实上，如果把机头向上抬，就会改变气流入射到机翼的角度，也就改变了作用在机翼的压力分布整体形状，这种情况升力会相应的增大。机翼与气流的夹角就称为攻角。

但也不能一直增大，因此增大的同时，飞机受到的阻力也会相应增加。如果增加太多，则机翼会失速，升力会迅速下降。

空气动力学设计

机翼和翼形是通过优化其形状和攻角精心设计的。飞机起飞需要有足够的升力，同时尽量减少整体阻力(燃油成本)。所以机翼的设计及优化目的就是为了获得充足的升力，并尽可能减少阻力。

对于机翼的设计优化，本文不作展开，推荐两本书籍：《Fundamentals of Aerodynamics》《Mechanics of Flight》

<Fluid Mechanics 101>学习笔记