Повітряний потік
ПОВІТРЯНИЙ ПОТІК
Різні потоки
Рух повітря відносно предмета називається потоком. Існує три основних типи потоку.
Ламінарний потік
Частинки повітря ідеально ковзають одна над одною без будь-якого обміну частинками між собою. Вони слідують за прямолінійним і паралельним рухом.
Турбулентний потік
Частинки повітря мають шляху, які майже паралельні один одному, але які вже не є прямими, рухаючись, як правило, в одному напрямку з однаковою швидкістю.
Вихровий потік
Потік дуже впорядкований, частинки змішуються і не йдуть прямим або паралельним шляхом, а деякі частинки можуть рухатися вгору за течією і таким чином утворювати вихори.
Опір повітря
Кожне тіло, що рухається в повітрі, піддається останньому опору, який має тенденцію протистояти цьому руху. Цей опір походить від властивостей повітря, але також залежить від характеристик відповідного тіла (поверхні, форми).
Сили стиску залежать від форми тіла та розташування, яке воно займає, щодо напрямку відносної швидкості повітряного потоку.
Сили тертя, обумовлені в'язкістю повітря, впливають безпосередньо на протяжність поверхні тіла, а також на стан цієї поверхні.
Розміщуючи плоску пластину перпендикулярно потоку повітря, ми виявляємо, що повітря чинить сильний тиск спереду, тоді як ззаду утворюється вакуум.
Встановивши пристрій (динамометр), підключений до пластини, ми можемо виміряти цю силу, що діє під дією повітря, і які фактори можуть це змінювати.
Фактори, що впливають на опір повітря
Вираз опору повітря
Опір повітря пропорційний площі, представленій перпендикулярно потоку, квадрату швидкості потоку, щільності повітря та формі тіла.
Тому ми можемо записати, що: R = K.ρ.V 2 S
з:
- R опір повітря, виражений в Ньютоні
- К коефіцієнт, який враховує форму тіла та стан його поверхні
- ρ густина повітря, виражена в кг.м -3
- Швидкість V, виражена в мс -1
- S, виражена в м 2 поверхні, представленої перпендикулярно потоку
Число Рейнольдса
Прикордонний шар
Коли рідина рухається навколо перешкоди, поля швидкості та тиску порушуються останніми. Прикордонний шар - це область рідини, що прилягає до стінки, в якій відбувається акомодація між нульовою швидкістю стінки та місцевою повною швидкістю вільної рідини. Багато властивостей потоку (тертя, тепловіддача та можлива наявність відшарувань) залежать від цього прикордонного шару. Поняття прикордонного шару пояснюється Л. Прандтлом, 1904 р. Це дозволило дати інтерпретацію великій кількості явищ, яких теорія досконалих рідин була недостатньою для пояснення. Саме прикордонний шар безпосередньо обумовлює опір тертя тіла. З іншого боку, поза прикордонним шаром можна буде вважати, що рідина має нульову в'язкість.
Отже, біля стіни є область, в якій швидкість переходить від 0 на стінці до швидкості ідеального потоку рідини на відстані порядку ℜe - 1/2 від стінки.
(Теза Себастьяна Бургуа - 2006)
Товщина прикордонного шару змінюється залежно від стану поверхні (чим гладша поверхня, тим тонший шар); але також відповідно до швидкості рідини. Прискорення потоку з прикордонного шару сприяє витонченню прикордонного шару, з іншого боку, якщо відбувається уповільнення потоку з прикордонного шару, рідина переноситься від стінки до зовнішнього потоку і додається до потовщення прикордонного шару, викликаного дифузією імпульсу через в'язкість.
Існує два типи прикордонного шару:
Ламінарний прикордонний шар характеризується тим, що всі вектори швидкості паралельні одній площині, тоді потік з'являється у вигляді шарів повітря, що ковзають один над одним. Ці леза залишаються прямими протягом певної довжини, а потім зникають. Ми спостерігаємо такий прикордонний шар у напрямку до переднього краю профілю.
Товщиною δ граничного шару умовно називають відстань до стіни, від якої швидкість V така, що: V = 0,99 Vo (Vo - швидкість, яка існувала б, якби повітря було без в'язкості).
Насправді досить швидко лопаті зникають, і потік має безладний характер, частково через шорсткість, яка все ще існує на стіні. Прикордонний шар стає турбулентним, і вектори швидкості перестають бути паралельними один одному.
Схематичний вигляд прикордонного шару.
Отже, на профілі є область, де прикордонний шар є ламінарним, і область, де прикордонний шар турбулентний.
На транспортному літаку товщина δ прикордонного шару, що розвивається на поверхні крила, може варіюватися від декількох міліметрів на передній кромці до декількох сантиметрів на задній кромці.
Зона, де ламінарний прикордонний шар стає турбулентною, є зоною переходу. Перехід до турбулентності зазвичай відбувається в кілька етапів:
- хвилі нестабільності з низькою амплітудою вперше з’являються в ламінарному потоці,
- ці хвилі деформуються, а лінії завихрення, пов'язані з цими порушеннями, приймають форму підкови і поступово розтягуються потоком,
- ця структура породжує вторинні нестабільності. Турбулентні регіони або «турбулентні плями» з’являються нижче за течією,
- зростання, а потім злиття цих структур призводить до так званого повністю розвиненого турбулентного потоку.
Внизу зліва направо ламінарний потік стає турбулентним
Турбулентний прикордонний шар, який потовщується швидше, ніж ламінарний прикордонний шар, також набагато стійкіший до несприятливих градієнтів тиску.
Зона переходу, точніше точка переходу, не є фіксованою і залежить від:
- число Рейнольдса: коли число Рейнольдса перевищує певне критичне значення, спостерігається перехід від ламінарного прикордонного шару до турбулентності. Можна сказати, що якщо число Рейнольдса збільшується, то точка переходу прикордонного шару рухається вгору за течією
- кривизни: вплив кривизни стінки на точку переходу невеликий, і перехідне число Рейнольдса практично не змінюється від плоского корпусу. З іншого боку, у випадку увігнутої стіни спостерігаються значні ефекти.
- стан поверхні (шорсткість): ефект шорсткості стінки полягає в тому, щоб просунути перехід, тобто викликати його при меншому числі Рейнольдса. Однак існує критичний розмір шорсткості, нижче якого положення переходу залишається незмінним.
- Номер Маха
Відшаровується
Природа шару не має значення, з іншого боку, важливою є "крихкість" цього прикордонного шару.
Розглядаючи ділянки 1, 2, 3 профілю, ми бачимо, що прикордонний шар у 3 є більш крихким, ніж у 2, сам по собі більш крихкий, ніж у 1 .
Насправді головним явищем у прикордонному шарі є тертя, і це цілком незворотне тертя споживає енергію у вигляді тепла. Ця споживана енергія є енергією тиску прикордонного шару. Або: P3
Може трапитися так, що P3 перевищує тиск Po нижче, це стосується сильних випадків.
В цей момент відбувається локальна інверсія потоку і прикордонний шар злітає.
Це дуже спрощене пояснення приблизно пояснює складні явища, що відбуваються під час загону. Поза точкою розділення D швидкість змінюється на зворотну.
Ця структура потоку не є стабільною і призводить до утворення вихорів.
Нижче наведено комп’ютерну фотографію (Знімок) поздовжньої швидкості у випадку піднятого потоку навколо профілю NACA012 при =e = 5000 та α = 16 °
Важливо відзначити існування певного типу загону, який називається ламінарною лампою, що значно зменшує аеродинамічну витонченість профілю. Це явище виникає, коли ламінарний прикордонний шар відшаровується за наявності незначного несприятливого градієнта тиску через його ламінарний характер, що робить його відносно чутливим до відшарування. Потім перехід до турбулентності відбувається в піднятій зоні і знову приєднується до профілю в турбулентному режимі, коли він отримує кінетичну енергію, необхідну для компенсації ефекту градієнта тиску. Потім це утворює локальну зону відшарування, як правило, розташовану в районі переднього краю профілю, званого ламінарною колбою, порушуючи аеродинаміку профілю.
Контроль потоку Жульєн Фав'є
Як діяти для управління загоном
Від'єднання прикордонного шару, що породжує втрату підйомної сили та збільшення опору, суттєво впливає на продуктивність профілів крила, тому необхідно докласти зусиль для його зменшення. Для контролю сепарації здавалося природним втручатися на рівні пристінної течії, оскільки саме діючи на рівні прикордонного шару можна впливати на загальні аеродинамічні характеристики профілю. Було досліджено кілька методів, таких як продування або всмоктування.
Усі сучасні транспортні літаки оснащені щілинними планками на передній кромці та щілинними стулками на задній кромці крил. Ці високопідйомники повністю розгорнуті при посадці. З міркувань безпеки посадка повинна здійснюватися з мінімально можливою швидкістю. Для підтримки достатнього підйому на низькій швидкості необхідно значно збільшити кут атаки. Щілинні форсунки переднього краю повторно впорскують повітря з високою швидкістю на верхню поверхню і таким чином затримують відшарування прикордонного шару. Задні заслінки перенаправляють потік повітря, залишаючи крило вниз, і збільшують підйом.
Нижче Схема профілю крила з передньою крайкою планки та задніми крайчиками.
З розвитком нових технологій та вдосконаленням знань, що стосуються внутрішньої динаміки турбулентного прикордонного шару, було досліджено кілька методів, таких як модифікація геометрії для отримання більш вигідного градієнта тиску, використання всмоктування для стабілізації прикордонного шару, або навіть охолодження поверхні. Видування також було дослідженою технікою, щоб уникнути поділу прикордонного шару.
Малюнок нижче Видування або пилососування прикордонного шару через щілини (або перфорації) 1 в покритті посилює потік у прикордонному шарі та допомагає підтримувати ламінарний потік на значній частині поверхні вкладиша. Контроль прикордонного шару або ламінарний контроль потоку може значно зменшити опір тертю та покращити аеродинамічну якість потоку при великих кутах атаки. Відповідний вибір положення щілин на поверхні та кількості продутого (або всмоктуваного) повітря може дозволити таку взаємодію потоків 2 з основним потоком 3, що призведе до утворення надциркуляції ( циркуляційний потік), суть якого полягає в додатковому прискоренні (або гальмуванні) потоку і, як наслідок, зменшенні (або збільшенні) тиску в певних частинах несучої поверхні для отримання збільшення підйому.
На сьогодні вивчаються інші можливі методи контролю, пасивні чи активні.
Важливо зазначити, що в даний час в більшості випадків, хоча аеродинамічні показники ефективності добре продемонстровані в лабораторії, поки що в реальних умовах застосовується мало оперативних застосувань.
Різні методи управління називаються активними, якщо вони включають введення енергії в систему, або пасивними, якщо вони представляють собою просту фізичну модифікацію системи.
Детальніше дивіться в дисертації: Контроль потоку Жульєна Фав'є
Увага: розділення та бурхливий потік не слід плутати. Турбулентний потік трохи збільшує опір, але затримує поділ, оскільки він містить більше енергії, ніж ламінарний потік.