Grundläggande aerodynamik, del 3

Transkript

1 Grundläggande aerodynamik, del 3 Vingar - planform Vingens virvelsystem Downwash/nedsvep Markeffekt Sidoförhållandets inverkan Vingplanform - stall 1 Vingar Vår betraktelse hittills av 2D-natur (vingprofiler) Dock är vingar ändliga, varför ett 3D synsätt blir nödvändigt Något mer komplicerat där, förutom vingprofilen, även vingens planform spelar stor roll 2 1

2 Vingar, forts. Med planform menas hur vingen ser ut rakt uppifrån Olika planformer: Rak vinge, pilvinkel, deltavinge Det är ett antal faktorer, förutom vingprofilen, som styr utformningen av vingen m a p användningsområde (start-/landningssträcka, manöverbarhet, hastighet etc.) Ex. varför har segelflygplan långa smala vingar? 3 Planform Exempel: Rak vinge (låg fart, enkel att bygga) Piper PA-28 Dornier Do

3 Planform, forts. Exempel: Pilvinkel och deltavinge (Hög fart, trans-/supersonisk) Avro Vulcan B737 English Electric Lightning 5 Vingar, forts. Begrepp: Spännvidd avstånd mellan vingspetsarna Sidoförhållande (Aspect Ratio, AR) AR = eller spännvidd medelkorda = spännvidd vingarea 2 AR = b 2 S AR dyker upp i avsnittet prestanda 6 3

4 Vingens virvelsystem För att förstå planformens inverkan krävs att vi tittar på den 3-dimensionella strömningen kring en vinge Vilket för oss in på vingens virvelsystem Bygger på teori från slutet av 1800-talet (Lanchester) Innebar stort genombrott i förståelsen kring aerodynamik Virvelteorin säger att: En virvel (eng. vortex) kan bara bestå om den antingen begränsas av väggar eller bildar en sluten ring (jmf. rökring) 7 Vingens virvelsystem, forts. Först: Vingcirkulation ( Wing bound vortex ) En uppdelning av hastighetsfältet runt vingen ger följande: Betyder att strömningen kring vingen kan ses som en cirkulation (OBS! Endast teoretiskt!) 8 4

5 Vingens virvelsystem, forts. Vingens virvelsystem ( Wing vortex system ) Utgörs av följande delar: Wing bound vortex (cirkulationen) Trailing vortices (ändvirvlar) Starting vortex (startvirvel) Vingcirkulationen är rent teoretisk De övriga existerar i verkligheten Ändvirvlarna kan ibland blir synliga vid rätt luftfuktighet/temp, hög lastfaktor, stort lyftkraftsuttag 9 Vingens virvelsystem, forts. Exempel ändvirvlar ( trailing vortices ) Ej att förväxlas med de K-strimmor som flygplan ibland lämnar efter sig 10 5

6 Vingens virvelsystem, forts. Runt vingen råder det (enl. tidigare) stora tryckskillnader Lågt tryck på ovansidan får luften att strömma inåt Högt tryck på undersidan får luften att strömma utåt mot vingspetsarna Detta ger luften en vridande rörelse längs med vingens bakkant Vid vingspetsarna bildas koncentrerade virvlar 11 Vingens virvelsystem, forts. En bit bakom flygplanet går vingens hela virvel ihop till ett par tydliga ändvirvlar Cirkulationen runt vingen tillsammans med ändvirvlarna brukar även kallas för Horseshoe vortex system (pga. dess utseende) 12 6

7 Vingens virvelsystem, forts. Ändvirvlarna bakom större flygplan är mycket energirika Dessa kan ligga kvar i flera minuter innan de dämpas ut Har lett till många haverier där bakomvarande flygplan flugit in i ändvirvlarna på ett framförvarande flygplan ( wake turbulence ) Ex: En Boeing 747 på 300 ton genererar hyfsat stora ändvirvlar Att landa med en liten Cessna efter en sådan = inte så lyckat Därför har man viss separation mellan flygplan vid landning (innebär visst problem i sig pga. tidsförluster) Virvlarna är fullt hörbara om man ex. befinner sig under ett landande flygplan 13 Vingens virvelsystem, forts. Enl. teorin: begränsas av väggar eller sluten ring Det som fattas i vingens virvelsystem är därför startvirveln Startvirveln uppstår vid start, då vingarna börjar generera lyftkraft (ökad α och ökad C L ) Virveln blir kvar på backen I teorin kvar tills flygplanet tar mark (cirkeln sluten) Startvirvel Mer startrotation produceras och efterlämnas varje gång ändring av C L sker Vid landning återkommer startvirveln med då som landnings-virvel med motsatt rotation (då α och C L = 0) Det fysikaliska förloppet är fullbordat! 14 7

8 Downwash/nedsvep Ändvirvlarna påverkar i stor utsträckning hela strömningsbilden runt flygplanet (speciellt vingen och stjärtpartiet) Har därför inverkan på lyftkraft och motstånd hos flygplanet Luften bakom vingen dras nedåt av ändvirvlarna ger upphov till det som kallas downwash /nedsvep Ändvirvlarna påverkar även luften framför vingen 15 Downwash/nedsvep, forts. Ändvirvlarna ändrar den lokala strömningsbilden Nedsvepet orsakar en minskning av effektiv α, dvs. minskat C L α måste ökas för att kompensera Lyftkraften tiltas bakåt komposanten som uppstår kallas för trailing vortex drag, el. inducerat motstånd Nedsvepet påverkar även flygplanets bakkropp (stabilisator+fena) och ändrar effektiv α där också 16 8

9 Downwash/nedsvep, forts. Ex. på placering av stabilisator för att undgå nedsvepet från vingen MD-80 C Markeffekt Fenomen som uppstår när flygplanet flyger nära marken (ca ½ spännvidden) Marken förhindrar till viss del bildandet av ändvirvlar och minskar nedsvepet bakom vingen Ger minskat inducerat motstånd 18 9

10 Sidoförhållandets inverkan Fysikaliskt: Om samma lyftkraft ska genereras med en kort vinge (liten spännvidd) som med en lång (stor sp.vidd) så fordras större cirkulation Detta leder även till starkare ändvirvlar, dvs. ökat inducerat motstånd Slutsats: Vill man flyga snålt = långa smala vingar, stort AR Nackdelar Hållfasthet, stort tröghetsmoment, begränsning i hastighet 19 Lyftkraftens variation över spännvidden Lyftkraftens variation över spännvidden avgör hur effektiv vingen är (främst m a p motstånd) Variationen styrs till stor utsträckning av hur kordan varierar längs vingen På en rak rektangulär vinge är lyftkraften jämnt fördelad längs spannet Ger att nedsvepet som störst vid vingspetsarna Görs vingen istället något avsmalnande ökar lyftkraften mitt på vingen Ger mer jämn fördelning av nedsvepet 20 10

11 L:s variation över spännvidden, forts. Enl. teoretisk analys: Minsta möjliga inducerat motstånd fås då nedsvepet är konstant längs spannet Vidare: Konstant nedsvep fås med en elliptisk fördelning av L Elliptisk fördelning = elliptisk vinge 21 L:s variation över spännvidden, forts. Dock vissa problem med elliptisk vinge; tillverkning, hållfasthet Att ge vingen en avsmalnande form funkar lika bra (samt är billigare och enklare att bygga) Elliptisk lyftkraftsfördelning kan uppnås genom: Rak mittsektion som avsmalnar mot vingspetsen Variera infästningsvinkeln längs spannet Variera vingens välvning längs spannet Elliptisk fördelning dyker upp på avsnittet om prestanda 22 11

12 Vingplanformer - stall Normalt eftersträvas stall vid vingroten lugnt förlopp och lätt att återhämta flygplanet Sker den istället vid vingspetsen; inte lika kul Den stallade vingen tappar lyftkraft och sjunker Effektiva α ökar vilket förvärrar stallen Leder till att flygplanet börjar rolla uppåtgående vinge får därmed minskad α Den stallade vingspetsen skapar samtidigt ett stort motstånd = får flygplanet att börja gira Leder till spinn 23 Vingplanformer - stall Rak vinge: Störst nedsvep vid vingspetsarna = mindre effektiv α Vingroten stallar därför först En avsmalnande vinge tenderar att stalla vid vingspetsen först Kan förbättras genom tordering (vridning) av vingen Påverkar dock lyftkraftsfördelningen. Kompromiss! Även vingar med pilvinkel tenderar att stalla vid vingspetsen först En nackdelen med pilformade vingar är att lyftkraftscentrum vid stall flyttas framåt = nos-upp-läge 24 12

13 Vingar med pilvinkel Vid ökad hastighet uppstår problem med kompressibilitet, tryckcentrumvandringar på vingarna mm Strömningshastigheten är som störst på vingarna = där uppnås Mach 1 först (en bra bit innan själva flygplanet gör det) Lösningen är att förse vingarna med pilvinkel Endast komposanten vinkelrätt mot vingen är avgörande för lyftkraften Nackdel: Den vinkelräta komposanten gäller även vid lägre hastigheter 25 13