Обтекание воздушным потоком реального крыла

На заре авиации, будучи не в состоянии объяснить процессы образования подъемной силы, люди при создании крыльев искали подсказки у природы и копировали их. Первое, на что было обращено внимание – это особенности строения крыльев птиц. Было замечено, что все они имеют выпуклую поверхность наверху и плоскую или вогнутую внизу (смотри рис). Почему же природа придала птичьим крыльям такую форму? Поиски ответа на этот вопрос легли в основу дальнейших исследований.

На малых скоростях полета воздушную среду можно считать несжимаемой. Если воздуш-ный поток является ламинарным (безвихревым), то его можно разбить на бесконечное множество элементарных, не сообщающихся между собой струек воздуха. В этом случае, в соответствии с законом сохранения материи, через каждое поперечное сечение изолированной струйки при установившемся движении в единицу времени протекает одна и та же масса воздуха. Площадь сечения струек может меняться. Если оно уменьшается, то скорость потока в струйке уве-личивается. Если сечение струйки увеличивается, то скорость потока уменьшается (смотри рис).

Швейцарский математик и инженер Даниил Бернулли вывел закон, ставший одним из базовых законов аэродинамики и носящий ныне его имя: при установившемся движении идеального несжимаемого газа сумма кинетической и потенциальной энергий единицы его объема есть величина постоянная для всех сечений одной и той же струйки.

, - давление в потоке (потенциаль-ная энергия), - динамический напор (кинетическая энергия). Из приведенной формулы видно, что если скорость потока в струйке воздуха увеличивается, то давление в ней уменьшается. И наоборот: если скорость струйки уменьшается, то давление в ней увеличивается (смотри рис). Так как , значит .

Теперь давайте рассмотрим поподробнее процесс обтекания крыла. Обратим внимание на то, что верхняя поверхность крыла выгнута значительно больше, чем нижняя. Это самое важное обстоятельство (смотри рис). Рассмотрим струйки воздуха, обтекающие верхнюю и нижнюю поверхности профиля. Профиль обтекается без завихрений. Молекулы воздуха в струйках, подходящие одновременно к передней кромке крыла, должны также одновременно отойти от задней кромки. На рисунке видно, что длина траектории струйки воздуха, обтекающей верхнюю поверхность профиля больше, чем длина траектории обтекания нижней поверхности. Над верхней поверхностью молекулы воздуха движутся быстрее и располагаются реже, чем внизу. Возникает РАЗРЕЖЕНИЕ. Разница давлений под нижней и над верхней поверхностями крыла приводит к появлению дополнительной подъемной силы. В отличие от пластины, при нулевом угле атаки на крыле с подобным профилем подъемная сила нулевой не будет.

Наибольшее ускорение обтекающего профиль потока возникает над верхней поверхностью вблизи передней кромки. Соответственно там же наблюдается и максимальное разрежение. На рисунке показаны эпюры распределения давления по поверхности профиля.

, где

- коэффициент давления; P - давление в потоке; - давление в невозмущенном потоке; - скоростной напор невозмущенного потока; - плотность воздуха в невозмущенном потоке; - скорость невозмущенного потока.

Твердое тело, взаимодействуя с потоком воздуха, изменяет его характеристики (давление, плотность, скорость). Под характеристиками невозмущенного потока мы будем понимать характеристики потока на бесконечно большом удалении от исследуемого тела. То есть там, где исследуемое тело с потоком не взаимодействует - не возмущает его. Коэффициент Cp показывает относительную разницу между давлением воздушного потока на крыло и атмосферным давлением в невозмущенном потоке. Там, где Cp<0 поток разрежен. Там, где Cp>0, поток испытывает сжатие. Особо отметим точку А. Это критическая точка. В ней происходит разделение потока. В этом месте скорость потока равна нулю и давление максимально. Оно равно давлению торможения, а коэффициент давления Cp=1. - давление торможения; - давление в невозмущенном потоке; - скоростной напор невозмущенного потока.

Распределение давлений по профилю зависит от формы профиля, угла атаки и может существенно отличаться от приведенного на рисунке, но нам важно запомнить, что на малых (дозвуковых) скоростях основной вклад в создание подъемной силы вносит разрежение, образующееся над верхней поверхностью крыла на первых 25% хорды профиля. По этой причине в «большой авиации» стараются не нарушать форму верхних поверхностей крыла, не размещать там места подвески грузов, эксплуатационные лючки. Нам также следует особенно внимательно относиться к сохранению целостности верхних поверхностей крыльев наших аппаратов, так как износ и неаккуратно поставленные заплатки существенно ухудшают их летные характеристики. А это не просто уменьшение «летучести» аппарата. Это еще и вопрос обеспечения безопасности полетов. На рисунке показаны поляры двух несимметричных профилей. Нетрудно заметить, что эти поляры несколько отличаются от поляры пластины. Это объясняется тем, что при нулевом угле атаки на таких крыльях подъемная сила будет ненулевой. На поляре профиля А отмечены точки, соответствующие экономическому (1), наивыгоднейшему (2) и критическому (3) углам атаки. Возникает вопрос: какой профиль лучше? Ответить на него однозначно невозможно. Профиль [А] имеет меньшее сопротивление, у него большее, чем у [Б], аэродинамическое качество. Крыло с профилем [А] будет летать быстрее и дальше крыла [Б]. Но есть и другие аргументы. Профиль [Б] имеет большие значения Cy. Крыло с профилем [Б] сможет удерживаться в воздухе на меньших скоростях, чем крыло с профилем [А]. На практике у каждого профиля есть своя область применения. Профиль [А] выгоден в дальних перелетах, там, где нужны скорость и «летучесть». Профиль [Б] полезнее там, где возникает необходимость удержаться в воздухе на минимальной скорости. Например, при заходе на посадку.

В «большой авиации», особенно при проектировании тяжелых самоле-тов, идут на существенные усложне-ния конструкции крыла ради улучшения его взлетно-посадочных характерис-тик. Ведь большая посадочная ско-рость тянет за собой целый комплекс проблем, начиная от значительного усложнения процессов взлета и посадки и кончая необходимостью постройки все более длинных и дорогостоящих взлетных полос на аэродромах. На рисунке изображен профиль крыла, оснащенного предкрылком и двухщелевым закрылком.

Составляющие аэродинамического сопротивления.
Понятие индуктивного сопротивления крыла

Коэффициент аэродинамического сопротивления Cx имеет три составляющих: сопротивление давления, трения и индуктивное сопротивление.

Сопротивление давления определяется формой профиля. Сопротивление трения зависит от шероховатости обтекаемых поверхностей. Давайте рассмотрим подробнее индуктивную составляющую. При обтекании крыла над верхней и под нижней поверхностями давление воздуха разное. Внизу больше, наверху меньше. Собственно, это и определяет возникновение подъемной силы. В «середине» крыла воздух течет от передней кромки к задней. Ближе к законцовкам картина обтекания меняется. Воздух, стремясь из зоны повышенного давления в зону пониженного давления, перетекает из под нижней поверхности крыла на верхнюю через законцовки. Поток при этом закручивается. За концами крыла образуются два вихря. Их часто называют спутными струями. Энергия, затрачиваемая на образование вихрей, и определяет индуктивное сопротивление крыла (смотри рис). Образование вихрей на законцовках крыла. Сила вихрей зависит от размеров, формы крыла, разницы давлений над верхней и под нижней поверхностями. З а тяжелыми самолетами образуются очень мощные вихревые жгуты, которые практически сохраняют свою интенсивность на дистанции 10-15 км. Они могут представлять опасность для летящего сзади самолета, особенно когда в вихрь попадает одна консоль. Эти вихри можно легко увидеть, если понаблюдать за приземлением реактивных самолетов. Из-за большой скорости касания посадочной полосы колесная резина горит. В момент приземления за самолетом образуется шлейф пыли и дыма, который мгновенно закручивается в вихрях. Вихри за сверхлегкими ЛА (СЛА) намного слабее, но тем не менее ими нельзя пренебрегать, так как попадание парашюта в подобный вихрь вызывает тряску аппарата и может спровоцировать сложение купола. Существует несколько способов уменьшения индуктивного сопротивления:

- Увеличение удлинения крыла уменьшает площадь областей крыла, «работающих» на создание вихрей. Наверное, вы замечали, что все птицы-парители имеют крылья с весьма значительным удлинением.

- Установка концевых шайб затрудняет процесс перетекания воздуха через законцовки и, таким образом, уменьшает индуктивное сопротивление. Концевые шайбы - это обычно расположенные вертикально плоскости, устанавливаемые на законцовках консолей.

- Отрицательная крутка крыла. Уменьшение углов атаки на законцовках консолей уменьшает разницу давлений на законцовках и, следовательно, интенсивность образования вихрей. Однако необходимо отметить, что в парашютизме этот способ не применяется, так как существенно уменьшает стабильность купола.

Пограничный слой

Пограничный слой (ПС) – это тонкий слой воздуха, непосредственно примыкающий к обтекаемой поверхности и тормозящийся о нее. Непосредственно на обтекаемой поверхности скорость потока равна нулю. В этом легко убедиться. Вспомните, например, крылья бабочек. Они покрыты тончайшей пыльцой, которая не сдувается набегающим потоком. По мере удаления от поверхности тела ее влияние умень-шается и скорость потока увеличива-ется. Толщина по-граничного слоя для сверхлегких ЛА (СЛА) составляет 2-12 мм. Различают ламинарный (ров-ный) и турбулент-ный (вихревой) ПС (смотри рис).

Ламинарный ПС встречается на очень гладких поверхностях обтекания, как правило, при малых скоростях и температурах набегающего потока. По мере удаления от передней кромки толщина ПС увеличивается, и он из ламинарного обычно превращается в турбулентный. На парашютах, парапланах и дельтапланах из-за шершавости материала, из которого изготовлены крылья, ПС практически всегда турбулентный. При увеличении толщины ПС до некоторого критического значения происходит его отрыв от обтекаемой поверхности. Обсуждавшийся ранее «срыв потока» фактически определяется отрывом ПС. Давайте разберем один хорошо известный эффект, связанный с существованием пограничного слоя, с точки зрения аэродинамики. Игравшие в футбол слышали о таком приеме, как закрутка мяча. Крученый мяч летит иначе, чем некрученый. Очевидно, что в воздухе на него действует какая-то аэродинамическая сила. Разберем, как эта сила образуется и куда она направлена.

Отвлечемся от футбола и мяча. Формально задача сводится к тому, что нужно определить характер взаимодействия вращающегося шара и набегающего на него потока воздуха. Для ответа на вопрос следует вспомнить что нам известно о пограничном слое и об образовании подъемной силы на крыле с несимметричном профилем. На рисунке показаны схемы обтекания невращающегося и вращающегося шаров.

Если шар не вращается, то воздух обтекает его симметрично. Струйки воздуха 1 и 2 обходят его сверху, а 3 и 4 – снизу. Аэродинамическая сила R направлена вдоль потока воздуха. Когда шар начинает вращаться, то картина обтекания меняется. Так как на поверхности тела скорость воздуха относительно тела равна нулю, то струйка 3 при приближении к вращающейся поверхности мяча как бы «захватывается» ею, «прилипает» к ней и начинает обходить мяч сверху. Обтекание шара становится НЕСИММЕТРИЧНЫМ. Далее все происходит, как на крыле с несимметричным профилем. Струйка 3 бежит дальней дорогой, струйка 4 - ближней. Струйка 3 бежит быстрее. Над мячом возникает разрежение. У R появляется боковая составляющая направленная, в данном случае, вверх.