减小涡流的原理

文 |史记新说

编辑 | 史记新说

涡流是指流体中的旋转运动，它是一种普遍存在于自然和工业流体中的现象。

飞机涡流发生器（Jet Vane）是一种常见的飞行控制器件，它通过利用涡流的力量产生控制力矩，从而帮助飞机进行滚转和偏航控制。

——飞机涡流发生器的出现——

涡流发生器作为一种飞机控制器件的发明和应用历史可以追溯到20世纪40年代初期。

在当时，人们已经认识到了飞机在起飞和着陆时的危险性，特别是对于一些大型客机而言，由于其重量和飞行速度较快，起飞和着陆时的危险性更加突出。

在此背景下，涡流发生器这种新型的飞机控制器件应运而生，通过产生涡流来帮助飞机进行滚转和偏航控制，从而提高了飞行的安全性能。

最早的涡流发生器被称为“Kuchemann flaps”，是由德国工程师Kurt Kuchemann于1940年发明的。

Kuchemann flaps是一种可以在飞机机翼上安装的小型涡流发生器，通过产生涡流来改善机翼的气动性能，从而提高飞机的升力。

在Kuchemann flaps的设计中，通过调整涡流发生器的长度、宽度和高度等参数，可以控制涡流的大小和方向，从而实现对飞机的滚转和偏航控制。

随着涡流发生器的不断发展和完善，其应用范围也逐渐扩大。

在20世纪50年代和60年代，涡流发生器已经被广泛应用于民用和军用飞机中。其中，民用飞机中应用最广泛的涡流发生器是“Krueger flaps”，由美国工程师Walter Krueger于1953年发明。

Krueger flaps是一种可以在飞机前缘上安装的小型涡流发生器，通过产生涡流来改善机翼的气动性能，从而提高飞机的升力。

与Kuchemann flaps不同的是，Krueger flaps可以通过控制涡流的大小和方向，实现对飞机的升降控制。

在军用飞机中，涡流发生器的应用也非常广泛，其中，最具代表性的涡流发生器是“blown flaps”，由美国工程师Lippisch和Voigt于1940年代末期发明。

Blown flaps是一种可以在飞机后缘上安装的小型涡流发生器，通过向涡流发生器内喷射高速气流来产生涡流，从而改善机翼的气动性能，从而提高飞机的升力。

由于其可以在高速飞行状态下产生更强的涡流效应，因此在军用飞机中应用较为广泛，例如美国F-4和F-111等战斗机就采用了blown flaps来提高其升力性能。

随着涡流发生器的不断发展和完善，其应用领域也在不断拓展，在20世纪80年代和90年代，涡流发生器逐渐被应用于商用飞机中，如波音747、777和空客A340等大型客机。

这些飞机采用的是一种新型的涡流发生器，被称为“vortex generator”，即涡流增强器。

vortex generator通过改变机翼表面的流动状态，产生涡流来增加机翼的升力和稳定性能，从而提高飞机的飞行效率和安全性能。

与Kuchemann flaps和Krueger flaps不同的是，vortex generator的涡流效应主要作用于机翼表面，而不是在空气流场中产生涡流。

目前，涡流发生器已经成为现代飞机中不可或缺的一部分，在未来，随着飞机技术的不断发展和完善，涡流发生器的应用也将不断拓展和深化，为飞机的安全和性能提供更加可靠的保障。

——飞机涡流发生器的工作原理——

在飞机的机翼表面上，气流会形成一个被称为“边界层”的薄层，在边界层内，气流的速度相对较低，而气压相对较高。

这种速度和压力的变化会导致边界层内的气流变得不稳定，并在表面形成大量的涡流。

这些涡流会导致气流的分离和乱流，降低机翼的升力性能，增加气动阻力，从而影响飞机的飞行性能和燃油消耗。

涡流发生器可以通过控制边界层内的气流流动状态，避免气流分离和乱流的产生，从而提高机翼的升力性能和降低气动阻力。

涡流发生器可以产生一种被称为“涡流”的气流旋转现象，涡流的产生是由于涡流发生器表面的小翼片或棱角能够引导气流流动，使其形成一个旋转的气流环，从而产生涡流。

涡流可以将气流从机翼表面引导到机翼上部或下部，形成一种新的气流流动状态，这种流动状态可以增加机翼的升力和稳定性能。

涡流发生器的具体工作原理取决于其种类和安装位置。

小翼片是一种较为简单的涡流发生器，通常安装在机翼前缘或后缘处，它们的作用是改变边界层内气流的流动状态，避免气流分离和乱流的产生，从而提高机翼的升力性能。

小翼片通常呈斜角或弯曲形状，可以引导气流产生旋转，从而产生涡流。

当涡流发生器放置在机翼前缘，飞机通过空气时，气流会被发生器分割成两个部分，一部分气流会穿过涡流发生器的小孔，形成旋涡并在机翼表面上方流动，另一部分气流则流经涡流发生器外部。

Vortex generator是一种用于改善飞机气动性能的装置，通常安装在机翼表面或尾部表面上。

这种涡流发生器通常由一些小的矩形或三角形薄片组成，安装在机翼表面或尾部表面上，这些薄片通常沿着机翼前缘或后缘的方向排列。

当气流经过这些薄片时，会被迫在薄片周围形成细小的涡流结构，这些涡流结构可以将机翼表面的气流重新粘附在机翼表面上，减小气流的分离和失速现象。

涡流发生器起初是在1940年代应用于军用飞机上，当时的涡流发生器是由一些小的金属块组成，安装在机翼表面上。

随着涡流发生器的研究和发展，现代涡流发生器已经应用了更加先进的材料和制造工艺，例如复合材料、3D打印等技术，使得涡流发生器具有更加优异的气动性能和耐久性。

涡流发生器不仅被应用于飞机领域，还广泛应用于其他领域，例如汽车、火车、船舶等，以改善车辆的稳定性和操纵性能。

涡流发生器的应用将进一步提高车辆和飞机的安全性和操作效率，为人们的出行和运输带来更多的便利。

此外，涡流发生器还可以减小飞机的失速速度和空速惯性差，减小飞机在着陆时的滑跑距离，提高飞机的安全性和操作效率。

值得一提的是，涡流发生器不仅可以应用于机翼上，还可以应用于飞机的尾部，例如垂尾、水平安定面等部位。

——涡流发生器的应用——

涡流发生器除了前面提到的两个优点之外，它对于飞机还有一些容易被人忽略却又必不可少的作用。

它能够减小飞机的失速速度和空速惯性差，众所周知，失速是飞机在飞行中遇到的重要安全问题之一，涡流发生器可以减小失速速度，使得飞机在低速飞行和进近着陆时更加稳定和安全。

而且涡流发生器还可以减小空速惯性差，即飞机在不同高度和速度下的气动特性差异，从而提高飞机的操纵性能。

并且它还能减小飞机的滑跑距离，据美国联邦航空管理局（FAA）的研究表明，在涡流发生器的帮助下，同一架飞机的起飞距离可以缩短20%以上，而着陆距离则可以缩短30%以上。

波音公司也对这一点就行了研究，据相关数据表明，在涡流发生器的帮助下，波音737-800飞机的起飞距离可以缩短200-400英尺，而着陆距离则可以缩短300-600英尺。

而导致这一切的原因，其实就是因为当飞机着陆或者起飞时，涡流发生器产生的气流能够改变飞机表面气流流动的方式，增加了飞机表面的升力和阻力。

简单来说，涡流发生器会产生一个向下的气流，使得高速飞行时的气流与机翼表面的气流发生涡流，从而增加了表面的升力和阻力，这些额外的升力和阻力能够减缓飞机的速度，减小其滑行距离，并且使得飞机更容易着陆和起飞。

与此同时，涡流发生器的存在还能改善飞机的稳定性和操纵性能，根据美国联邦航空局（FAA）的数据表明，采用涡流发生器的Cessna 182飞机在操纵方面比普通的Cessna 182飞机更稳定。

使用涡流发生器的飞机比没有使用涡流发生器的飞机更容易在低速状态下控制飞机的俯仰角度。

而德国航空研究中心（DLR）的数据也印证了这一点，使用涡流发生器的小型飞机在起飞和着陆时的稳定性和控制性能都得到了显著改善。

涡流发生器可以使飞机更容易控制，减少飞机的倾斜和颠簸，从而提高了飞行的安全性和舒适度。

飞机涡流发生器是一种用于改善飞机起飞和降落时产生的气流涡流的设备，涡流是飞机飞行时在机翼边缘和发动机出口周围形成的旋转气流。

这些涡流对后续起降的飞机产生了影响，尤其是对小型飞机和无人机更加明显，因此，涡流发生器被设计出来来减少或消除这些涡流。

涡流发生器通常安装在飞机的尾部或翼面上，以产生一个相反方向的气流来与涡流相抵消，通过改变涡流的旋转方向和速度，涡流发生器能够有效地削弱甚至消除涡流，这有助于减少下风面的气流干扰。

涡流发生器有多种类型，包括紊流板、发动机外加装设备和吹气板等，其中最常用的类型是紊流板，它由多个平行板组成，每个板之间留有间隙，飞机在飞行时产生的气流通过这些间隙进入紊流板内部，形成紊流，从而减弱涡流。

发动机外加装设备是一种安装在飞机发动机排气口上的设备，它通过向周围空气喷出高速气流来制造反向气流，从而减弱涡流，这种设备的优点是可以在飞机飞行时实时控制涡流的强度和方向。

吹气板是一种将高速气流引导到翼面表面的设备。它能够在飞机起飞和降落时产生一个向上的气流，从而减少涡流的影响。

总而言之，涡流发生器是飞机上必不可少的一种设备，它不仅可以有效地减少涡流对飞机的影响，还能提高飞机的起降性能和安全性。

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