VINGTEORI. C L = C L 1+2/AR, C D = C D + C2 L C L och C D gäller oändligt bred vinge (2-D, AR ) L = C L A p ρu 2 /2, D = C D A p ρu 2 /2



Relevanta dokument
1 Cirkulation och vorticitet

Aerodynamik - översikt

Aerodynamik - Prestanda

Grundläggande aerodynamik, del 3

Tillåtna hjälpmedel: Physics Handbook, Beta, kalkylator i fickformat, samt en egenhändigt skriven A4-sida med valfritt innehåll.

Grundläggande aerodynamik, del 5

6.2 Partikelns kinetik - Tillämpningar Ledningar

6.5 Effektbehov för oaccelererad planflykt

printed: October 19, 2001 last modied: October 19, 2001 Laborationen avser en undersokning av stromningen kring en tva-dimensionell vingprol vid olika

Aerodynamik. Swedish Paragliding Event november Ori Levin. Monarca Cup, Mexico, foto Ori Levin

p + ρv ρgz = konst. [z uppåt] Speciellt försumbara effekter av gravitation (alt. horisontellt):

WALLENBERGS FYSIKPRIS 2014

Grundläggande aerodynamik, del 4

Grundläggande aerodynamik, del 2

Betongkonstruktion Facit Övningstal del 1 Asaad Almssad i samarbete med Göran Lindberg

Grundläggande aerodynamik

p + ρv ρgz = konst. Speciellt försumbara effekter av gravitation (alt. horisontellt): Om hastigheten ökar minskar trycket, och vice versa.

K-uppgifter Strukturmekanik/Materialmekanik

Inlämningsuppgift 4 NUM131

TENTAMEN I HÅLLFASTHETSLÄRA FÖR I2 MHA april (5 timmar) Lärare: Anders Ekberg, tel

Vingprofiler. Ulf Ringertz. Grundläggande begrepp Definition och geometri Viktiga egenskaper Numeriska metoder Vindtunnelprov Framtid

Mekanik III, 1FA103. 1juni2015. Lisa Freyhult

Grundläggande aerodynamik, del 6

7,5 högskolepoäng. Provmoment: tentamen Ladokkod: TT081A Tentamen ges för: Högskoleingenjörer årskurs 1. Tentamensdatum: Tid:

Reglerteori, TSRT09. Föreläsning 4: Kalmanfiltret & det slutna systemet. Torkel Glad. Reglerteknik, ISY, Linköpings Universitet

TEORETISKT PROBLEM 2 DOPPLERKYLNING MED LASER SAMT OPTISK SIRAP

Tentamen Mekanik F del 2 (FFM520)

Bestämning av lyftkraft på en symmetrisk vingprofil.

AMatematiska institutionen avd matematisk statistik

Tentamen i Optik för F2 (FFY091)

Linnéuniversitetet. Naturvetenskapligt basår. Laborationsinstruktion 1 Kaströrelse och rörelsemängd

CHALMERS TEKNISKA HÖGSKOLA Tillämpad mekanik Göteborg. TME055 Strömningsmekanik

En trafikmodell. Leif Arkeryd. Göteborgs Universitet. 0 x 1 x 2 x 3 x 4. Fig.1

Frågorna 1 till 6 ska svaras med sant eller falskt och ger vardera 1

1 Potenitallösningen för strömningen kring en cylinder

UNDERSÖKNING AV VINGPROFILER FÖR MODELLFLYGPLAN VID LÅGA REYNOLDS TAL

BISTEEX SL ÖVNINGSEXEMPEL I STÅLBYGGNAD FÖR BYGG- INGENJÖRSUTBILDNINGEN VID CTH

Tentamen i FysikB IF0402 TEN2:

OSCILLOSKOPET. Syftet med laborationen. Mål. Utrustning. Institutionen för fysik, Umeå universitet Robert Röding

2. För vilka värden på parametrarna α och β har det linjära systemet. som satisfierar differensekvationen

TSRT09 Reglerteori. Sammanfattning av Föreläsning 3. Sammanfattning av Föreläsning 3, forts. Sammanfattning av Föreläsning 3, forts.

Enda tillåtna hjälpmedel är papper, penna, linjal och suddgummi. Skrivtid 4 h. OBS: uppgifterna skall inlämnas på separata papper.

Rapport LUTFD2/TFHF-3089/1-16/(2013) Föreläsningsexempel i Teknisk mekanik

Prestandaberäkning för modeller

Tentamen: Atom och Kärnfysik (1FY801)

Alpin Aerodynamik. Åk fortare. Dr Fredrik Hellström. Christian Jansson. Aerodynamikrådgivare. Landslagsåkare S1

Geometri och Trigonometri

Omtentamen i DV & TDV

Självkoll: Ser du att de två uttrycken är ekvivalenta?

Aerodynamik eller Flygningens grundprinciper. Ivan Hedin

BERNOULLIS EKVATION. Friktionsfri strömning, Eulers ekvation på vektorform:

Tenta Elektrisk mätteknik och vågfysik (FFY616)

STYRNING AV PORTFÖLJER MED FLERA TILLGÅNGAR

Dagens tema. Fasplan(-rum), fasporträtt, stabilitet (forts.) (ZC sid 340-1, ZC10.2) Om högre ordnings system (Tillägg)

Partiklars rörelser i elektromagnetiska fält

u = Ψ y, v = Ψ x. (3)

Kurvlängd och geometri på en sfärisk yta

Formelsamling i Krets- och mätteknik fk ETEF15, Ht2011

Övningar för finalister i Wallenbergs fysikpris

Kompletterande lösningsförslag och ledningar, Matematik 3000 kurs A, kapitel 6

Matematik och modeller Övningsuppgifter

Två gränsfall en fallstudie

CAEMRK12 Grundplatta. Användarmanual

Tentamen i Matematisk statistik, LKT325,

Kvantfysik - introduktion

MODELLERING AV DYNAMISKA SYSTEM OCH INLUPP 2

Lösningar/svar till tentamen i MTM119/052 Hydromekanik Datum:

Teori för vinschbehörighet

Mälardalens högskola Akademin för utbildning, kultur och kommunikation

Bilaga F. Formler för Ψ-värden - övriga köldbryggor

Onsdagen den 16 mars 2005, 8:00 13:00

Tilluftkanal ROL (BVOL)

AB2.1: Grundläggande begrepp av vektoranalys

Bygginstruktion Extra 300 EPP 830mm

Skruvad frispark i fotboll

KOMPRESSIBEL STRÖMNING I RÖR OCH KANALER, KONSTANT TVÄRSNITT

GRUNDLÄGGANDE AERODYNAMIK INNEHÅLLSFÖRTECKNING

MIDSKEPPS INTERCEPTOR OCH AKTERLIGT TRIMPLAN

R AKNE OVNING VECKA 1 David Heintz, 31 oktober 2002

Flygplan Av: Mathilda & Leona

DIMENSIONSANALYS OCH LIKFORMIGHETSLAGAR

PROV I FYSIK KURS A FRÅN NATIONELLA PROVBANKEN

Några myter.. Som ska avfärdas

Fysikaliska krumsprång i spexet eller Kemister och matematik!

Introduktion till Komplexa tal

REGLERTEKNIK KTH. REGLERTEKNIK AK EL1000/EL1110/EL1120 Kortfattade lösningsförslag till tentamen , kl

Tillämpad biomekanik, 5 poäng Övningsuppgifter

Reglerteknik, TSIU 61

Inlämningsuppgift 1. 1/ Figuren visar ett energischema för Ulla som går uppför en trappa. I detta fall sker en omvandling av energi i Ullas muskler.

Interceptorer i teori och praktik

Systemkonstruktion Z2

14. Potentialer och fält

Lösningsförslag - Tentamen. Fysik del B2 för tekniskt / naturvetenskapligt basår / bastermin BFL 122 / BFL 111

Puls och g-kraft. Uppföljningsblad 1. Hjärtat, en pump. Begrepp: Samband mellan begreppen: Uppgift 1. Uppgift 2

NpMaD ht Anvisningar. Grafritande räknare och Formler till nationellt prov i matematik kurs C, D och E.

Flyglära. Vi börjar med den grundläggande delen

5 Kontinuerliga stokastiska variabler

Diffraktion och interferens

Program S1.11. SOFTWARE ENGINEERING AB Byggtekniska Program - Geoteknik. Glidytor

Betygskriterier Matematik E MA p. Respektive programmål gäller över kurskriterierna

Transkript:

VINGTEORI Flygplansvinge sedd uppifrån Planarea (vingyta), A p Vingbredd, b Medelkorda, C = A p /b Aspect Ratio, AR = b/c Vingtvärsnitt Fart, U Anfallsvinkel rel. kordalinje, α Max. välvning, h Max. tjocklek, t Små anfallsvinklar α 1 Liten välvning β = 2h/C 1 Slanka profiler t/c < 0.2 (Elliptisk planform, Re = ρuc/µ 1) C L = C L 1+2/AR = 2π(α+β) 1+2/AR, C D = C D + C2 L πar C L och C D gäller oändligt bred vinge (2-D, AR ) L = C L A p ρu 2 /2, D = C D A p ρu 2 /2

HORISONTELL FLYGNING L = W (Lift = Weight) D = T (Drag = Thrust) (a) Vilken fart ger lägst bränsleåtgång vid given flygsträcka? Bränsleåtgång energiändring = arbete = kraft väg, kraft = T = D; sök D min D = C D A p ρu 2 /2 C D = C Dpara +C 2 L/(πAR) C Dpara = C Dplan +C D = konst. C L = 2W/(ρU 2 A p ) D = C 1 U 2 +C 2 U 2, dd/du = 0 U D = 2W/(ρA p )/(πarc Dpara ) 1/4 D min = 2W/ πar/c Dpara (C D = 2C Dpara, C L = πarc Dpara ) (b) Minimal effekt ger längst tid i luften vid given bränslemängd, P = DU U P = U D /3 1/4 = 0.76U D P min = WU P / 3πAR/(2C Dpara ) 11 10 9 8 D/D min P/P min 7 6 5 4 3 2 1 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 U/U D Ex. Fokker F-28, W = 0.30 MN, A p = 79 m 2, AR = 8.0 (b = 25.1 m), ρ = 0.41 kg/m 3 (z = 10 km), C Dpara = 0.010 U D = 192 m/s = 691 km/h (angivet, most economical speed = 678 km/h); U P = 146 m/s = 525 km/h.

LYFTKRAFT PÅ EN VINGE L. Prandtl T. J. Mueller Vingen accelererar kontinuerligt omgivande fluid nedåt vilket innebär en kraft på vingen uppåt, en lyftkraft. Lyftkraften kan också härledas till att vingen länkar om strömningen, uppåt strax framför vingen, nedåt i bakkant; mot denna nettoimpulsändring nedåt svarar en motriktad kraft uppåt på vingen, en lyftkraft. Strömningen kan tänkas sammansatt av en där fluiden passerar vingen utan omlänkning (friktionsfri strömning) samt en medurs cirkulationsrörelse. Friktion Cirkulation Lyftkraft Cirkulationen innebär ökad hastighet på ovansidan, minskad på ovansidan, d.v.s. en tryckskillnad, jfr. Bernoullis ekvation. En vinge bibringas en hastighet lite snett nedåt. Hur utvecklas cirkulationen? (a) precis vid start; strömning runt bakkant, ingen omlänkning, ingen cirkulation (b) friktion i kombination med tryckökning strömningen klarar inte att komma runt kanten avlösning moturs virvel (startvirvel), cirkulationen utvecklas (medurs) (c) bakkantsströmningen stabiliseras, vingen lämnar startvirveln bakom sig, cirkulationen närmar sig slutvärdet (d) startvirveln ett par kordor bakom, cirkulationen fullt utvecklad

VIRVELSKIKT Betrakta en oändlig rad av linjevirvlar längs x-axeln. Alla virvlar har samma styrka K, samma rotationsriktning (moturs) och ligger på samma inbördes avstånd a. Komplex potential: f(z) = ik[lnz +ln(z a)+ln(z 2a)+...+ln(z +a) [ ( )] πz +ln(z +2a)+...] = ikln sin a Sök strömfunktionen ψ, imaginärdelen av f = φ + iψ. Utnyttja komplexkonjugatet, f = φ iψ ( ) f f = 2iψ = ik ln πz sin sin πz a a Trigonometrisk identitet, 2sinαsinβ = cos(α β) cos(α + β), samt cosix = coshx ger ψ = 1 2 Kln 1 cosh 2πy 2 a cos2πx a ψ = konst. ger strömlinjer: Stora avstånd från x-axeln: u = ±πk/a, v = 0. Cirkulation kring rektangel med bredd dx och höjd upp i detta område: dγ = u l dx u u dx = 2πK dx = γdx a Funktionen γ kan tolkas som cirkulation per breddenhet och kan för ett allmänt virvelskikt vara en funktion av x. Ch. 8.3 Strömningslära C. Norberg, LTH

KUTTAVILLKORET 2-D vingprofil med cirkulation 1, liten anfallsvinkel. KUTTAVILLKORET: Det fysikaliskt riktiga värdet på cirkulationen Γ kring en tvådimensionell vingprofil är det som innebär ändlig hastighet vid bakkanten. Γ Kutta ger jämn bakkantsströmning liknande verkliga förhållanden, med friktion, högt Reynolds tal. Kuttavillkoret kan användas för att bestämma Γ Kutta, via en virvelskiktsfördelning γ(x) = dγ/dx längs vingen; γ(x) modellerar friktionens inverkan; lyftkraft per breddenhet, L/b = ρu Γ Kutta. Betrakta en vinklad, tunn, bred platta; tvådimensionell potentialströmning med cirkulation; liten anfallsvinkel α; korda C (framkant vid x = 0, bakkant vid x = C); sökt: γ(x). Virvelskiktet ger vid x upphov till ett hastighetssprång, u = u u u l = 2δu = γ(x). Eftersom α är liten förutsätts δu/u 1. Kuttavillkoret (skarp bakkant): u x=c = 0 γ(c) = 0 1 I Ch. 8.7 är cirkulation positiv vid medurs rotationsriktning.

VINKLAD PLATTA Lyftkraft: L = ρu Γb = ρu C 0 γ(x)bdx Lyftkraftskoefficient: C L = 2L/(ρU 2 bc) = 2 1 0 (γ/u )d(x/c) Lyftkraft = resulterande tryckkraft uppåt L Lcosα = C 0 (p l p u )bdx Bernoullis ekvation visar att trycket runt plattan varierar som γ(x), C p,u = γ/u ; C p,l = +γ/u, C p = 2(p p )/(ρu 2 ) Hur bestäms γ? Ingen strömning genom plattan, v(y = 0) = 0, för alla x [0,C] Bidrag till vertikal hastighet vid x från dγ = γdx 0 vid x 0 : [dv] x = Totalt vid x från hela virvelskiktet: dγ 2π(x 0 x) = γdx 0 2π(x 0 x) v vs = C 0 γdx 0 2π(x 0 x) som tillsammans med bidraget från friströmmen (= U sinα) skall vara noll, d.v.s. C 0 γdx 0 2π(x 0 x) +U sinα = 0 Med γ(c) = 0 från Kuttavillkoret fås lösningen γ(x) = 2U (C/x 1) 1/2 sinα Insättning visar att lyftkraftskoefficienten varierar linjärt med α: C L = 2πsinα = 2πα (α 1)

VINKLAD PLATTA... Små anfallsvinklar: C L = 2πα (Γ Kutta = πcu α) Tryckfördelning Hastighetsfördelning Moment kring framkanten (LE = Leading Edge) M LE = xdl = bρu C 0 xγdx = (C/4)L alpha = 5 deg Momentmässigt verkar lyftkraften centrerad till en punkt en kvarts korda från framkanten. Denna punkt kallas tryckcentrum eller aerodynamiskt centrum (CP, Center of Pressure) x CP = C/4 Stämmer bra för alla slanka vingprofiler, se Fig. 8.21b.

SLANKA, VÄLVDA VINGPROFILER korda C, maximal välvning h, maximal tjocklek t Teori C L = 2π(1+ 4 3 t/c)sin(α+β), där β = tan 1 (2h/C) 3 } {{ } 0.77 C L = 0 vid α = α ZL = β; ex. h/c = 0.050 α ZL = 5.7 Ovanstående tjockleksinverkan stöds inte av experiment, se figur. Små vinklar (α 1, β 1), slanka 2-D profiler C L = 2π(α+β)

AERODYNAMISKA DATA (2-D) Lägst C D kring C L = 0; vid höga α ökar C D kraftigt, lutningen dc L /dα minskar; till slut sker avlösning på ovansidan, C L minskar dramatiskt (överstegring = stall); max. C L vid α α stall.

3-D VINGAR (WINGS OF FINITE SPAN) Lokala lyftkraften L(y) sjunker snabbt mot noll vid vingspetsarna VINGSPETSVIRVLAR

LANCHESTER-PRANDTLS LYFTLINJETEORI Tvådimensionell teori (2-D): cirkulation lyftkraft. Verklig vinge (3-D): lyftkraften varierar över vingen, noll vid vingspetsarna. Antagande: den ändliga vingen(bredd b) tänks ersatt med en linje i vilken cirkulationen varierar utefter dess längd, Γ = Γ(y); 2-D teori kan användas för varje snitt y = konst. lokal lyftkraft. Lokal anfallsvinkel, α = α(y) 1. dl = ρu Γ(y)dy, Γ(±b/2) = 0 Symmetrisk vinge Γ(0) = Γ o = max. Total lyftkraft: L = ρu b/2 b/2 Γ(y)dy 2-D teori tillåter inte att cirkulationen varierar utefter en virveltråd (potentialvirvel). Antag därför att ett knippe virveltrådar passerar över vingens (lyftlinjens) tryckcentrum (x = y = 0). På ömse sidor tappas virveltrådar av så att lyftkraften (cirkulationen) blir noll vid vingspetsarna. Vid varje position y = η utefter lyftlinjen sträcker sig en virveltråd med cirkulation dγ från x = 0 till x = + (vid x = + ligger den motriktade startvirveln ). Sammantaget ger trådarna, vid varje position y, upphov till en nedåtriktad hastighet w(y), en s.k. downwash.

LANCHESTER-PRANDTLS LYFTLINJETEORI... Nedåtriktad hastighet vid y från halvoändlig virvel vid y = η: [dw] y = dγ 4π(η y) = (dγ/dη)dη 4π(y η) Totalt vid (x = 0,y) från alla virvlar längs lyftlinjen: w(x = 0,y) = 1 4π b/2 b/2 (dγ/dη) dη y η Den nedåtriktade hastigheten w innebär att den lokala effektiva anfallsvinkeln minskar, α e = α α i, där α i = tan 1 w/u, se figur nästa sida. Lyftkraften minskar. Förutsätt nu w U, d.v.s. α i = w/u 1. Lokal 2D-teori ρu Γ(y)dy = dl e = 2πα e 1 2 ρu2 C(y)dy Γ(y) = πc(y)u α e där C(y) är lokal korda. Sammantaget fås följande integro-differentialekvation för Γ(y): Γ(y) = πc(y)u α(y) 1 4πU b/2 b/2 som kan lösas vid givna fördelningar C(y) och α(y). Otvistad vinge α = konst. (dγ/dη) dη y η

LANCHESTER-PRANDTLS LYFTLINJETEORI. dl = dl e cosα i = dl e L = ρu b/2 b/2 Γ(y)dy dd i = dl e sinα i = dl e α i D i = ρu b/2 b/2 Γ(y)α i(y)dy Den nedåtriktade hastigheten över vingen innebär ett extra strömningsmotstånd, ett lyftkraftsinducerat motstånd. Ellipsformad korda, C(y) = C o [1 (2y/b) 2 ] 1/2 ; planarea, A p = b/2 b/2 C(y)dy = πbc o/4, d.v.s. AR = b 2 /A p = b/c = 4b/(πC o ). Lösning, otvistad vinge: Γ(y) = Γ o 1 2y b 2 1/2 C L =,Γ o = πc ou α 1+2/AR,L = πρ V Γ 0 b/4 2πα 1+2/AR = 2πα e Generalisering, välvd vinge, elliptisk planform (β = 2h/ C 1): C L = 2π(α+β) 1+2/AR Ellipsformad korda innebär konstant nedåtriktad hastighet w(y) = U α i = 2U α 2+AR C D i = C L α i = C2 L πar Total motståndskoefficient (inkl. friktion): C D = C D +C Di.

UTVIDGAD VINGTEORI, SMÅ VINKLAR Friktion samt planformens utseende inverkar. Lyftkraftskoefficient: C L = 2πφ(α+β α i ), α i = C L πar (1+τ) där τ 0 (planform) och 0 < φ < 1 (friktion). Omskrivning: C L = ĈL γ, Ĉ L = 2π(α+β) 1+2/AR, γ = 1+2φ(1+τ)/AR φ(1+2/ar) Motståndskoefficient: C D = C D +C Di, C Di = C2 L πar (1+σ) σ 0 beror av planformen; elliptisk planform: σ = τ = 0. Ingen friktion φ = 1, C D = 0; väl utformad vinge, Re = U C/ν > 10 7 1 φ < 0.04 (2π 0.96 = 6.0), C D < 0.01. Rektangulär planform: σ och τ beror av AR enligt nedan. Ex. Rektangulär planform, se Fig. 8.23. α = 2, β = 5, AR = b/c = 5.0, φ = 0.85, C D = 0.012. Sökt: C L och C D AR = 5 τ = 0.154,σ = 0.040; φ = 0.85 γ = 1.17; (α+β)/(1+2/ar) = 5 = 5(π/180) rad ĈL = 0.55,C L = 0.47 C Di = C 2 L(1+σ)/(πAR) = 0.0145 C D = 0.0265. Svar: C L = 0.47, C D = 0.026 (elliptisk C L = 0.49,C D = 0.027).