Grundläggande aerodynamik, del 5

Transkript

1 Grundläggande aerodynamik, del 5 Motstånd Totalmotstånd Formmotstånd Gränsskiktstypens inverkan på formmotstånd 1 Motstånd Ett flygplan som rör sig genom luften (gäller alla kroppar) skapar ett visst motstånd, eng. Drag Det finns två sätt på vilket luften kan påverka ett flygplan: Skjuvkrafter (genom viskositeten), och Tryckkrafter Repetition. För ett flygplan i oaccelererad planflykt gäller: L = W, och T = D Dvs. flygplanets motstånd måste övervinnas med dragkraft 1

2 Totalmotstånd Ett flygplans totala motstånd brukar delas in i följande komponenter: Nollmotstånd Inducerat motstånd Totalmotstånd Friktionsmotstånd Formmotstånd Vågmotstånd 3 Totalmotstånd, forts. För lyftkraften hade vi lyftkraftskoefficienten C L En motsvarande koefficient finns för att beskriva ett flygplans motståndsegenskaper, nämligen C D med tillhörande ekvation: D = 1 ρ V SC D Även i ekvationen för D används vingarean som referens Detta av praktiska skäl en stor del av motståndet kommer från vingen Och som för C L gäller även att C D är en funktion av anfallsvinkel, Reynolds tal och Mach-talet 4

3 Formmotstånd Eng. Form drag el. Boundary layer normal pressure drag Övre fig: Strömning runt kropp utan viskositet Strömlinjerna sluter upp fint bakom profilen Tryckfördelning runt kroppen symmetrisk nettokrafterna noll Nedre fig: Den bittra verkligheten, dvs. med viskositet Inte lika vackert; skillnader i tryck runt kroppen 5 Formmotståndets uppkomst: Trycket kring kroppen är som lägst ungefär vid största tjockleken Därefter vill luften återgå till omgivande tryck går från lågt till högt Rörelseenergi i luften omvandlas för att höja trycket, med vissa förluster Strömningen avlöser, det bildas en vak vilket ger upphov till en tryckskillnad runt kroppen Denna tryckskillnad utgör formmotståndet 6 3

4 Vakens storlek styrs av var avlösningen sker Sker den tidigt bildas stora recirkulerande virvlar i vaken vilket ökar formmotståndet markant (jmf. stallande vinge) För form- (och även friktions)motståndet gäller att de ökar med kvadraten på hastigheten Dessa brukar slås ihop och kallas då för profilmotstånd ( boundary layer drag el. profile drag ) 7 Hur kan formmotståndet minskas? Främst: Genom att se till att tryckökningen inte är för stor utan gradvis (så att strömningen hinner med) Mjuk minskning av höjd/tjocklek alltså Strömlinjeforma! 8 4

5 Värst tänkbara är trubbiga former och skarpa kanter Även cylindriska föremål fungerar mindre bra 9 Ett annat sätt att få ner formmotståndet är genom att minska frontarean Innebär dock att man måste justera på annat håll Flygplan: För samma volym/passagerarantal = förlängning av kropp Ger större yta = ökat friktionsmotstånd 10 5

6 Gränsskiktstyp för motstånd För formmotståndet spelar gränsskiktstypen stor roll Fig. visar hur C D varierar med hastighet Vid lägre hastigheter är gränsskiktet laminärt, dvs. avlösningspunkten långt fram Med ökad hastighet händer något nämligen att C D minskar Här blir gr.skiktet turbulent som är mindre benäget att avlösa Vaken bakom kroppen blir mindre, minskat formmotstånd I vissa situationer ger ett turbulent gr.skikt mindre motstånd 11 Eftersom ett turbulent gr.skikt kan ge en stor minskning av C D kan man provocera fram ett sådant Exempelvis: Golfbollar Modellflygplan Vindtunnelmodeller På flygplan försöker man dock så långt som möjligt att undvika det turbulenta gr.skiktet 1 6