Können Flügelspitzenwirbel mit einem nach hinten gerichteten Propeller in der Nähe der Flügelspitze reduziert/eliminiert werden?

Ja. Aus aerodynamischer Sicht ist es sinnvoll, den Flügelspitzenwirbel in Kombination mit einem Propeller zu verwenden.

In diesem Artikel von Sinnige et al. modellierten und testeten die Forscher einen Propeller in verschiedenen Positionen entlang einer Halbspannweite und kamen zu dem Schluss, dass aufgrund der erhöhten Spannweiteneffizienz echte Vorteile zu erzielen waren. Bis zu 15 % weniger Luftwiderstand wurde gemessen, wenn der Propeller an der Flügelspitze positioniert war, im Vergleich zu einer herkömmlichen Befestigung:

Durch die Positionierung des Propellers an der Flügelspitze interagiert der Windschatten mit der Strömung um die Flügelspitze herum und beeinflusst so das Aufroll- und Abwärtsverhalten des Flügelspitzenwirbels. PIV-Messungen stromabwärts eines Propellerflügelmodells zeigten, dass dies zu einer Verringerung des Gesamtwirbels bei der Innenbord-Aufwärtsrotation führt, bei der der Wirbel im Windschatten dem entgegengesetzt ist, der mit dem Flügelspitzenwirbel verbunden ist. Gleichzeitig wurde festgestellt, dass sich die Systemleistung aufgrund einer Verringerung des flügelinduzierten Widerstands verbessert, was zu der Schlussfolgerung führt, dass die Verringerung des Wirbels eine Verringerung des Abwinds verursacht, den der Flügel erfährt.

Neben der Widerstandsänderung verändert die Wechselwirkung des Flügels mit dem Propellerwindschatten auch den Flügelauftrieb. Der lokal erhöhte dynamische Druck erhöht den Auftrieb über den Teil des Flügels in Spannweitenrichtung, der vom Windschatten umspült wird, was durch den induzierten Wirbel für den Fall mit Drehung nach innen nach oben verstärkt wird. Infolgedessen tritt bei eingeschaltetem Propeller eine starke Schwankung des Auftriebs in Spannweitenrichtung auf. Die durch diesen Auftriebsgradienten verursachten induzierten Geschwindigkeiten führen zu einer Spannweitenscherung des Windschattens. Bei einer Drehung nach außen nach oben wirkt der Wirbel im Windschatten lokal dem Anstieg des Flügelauftriebs aufgrund des Propeller-induzierten dynamischen Druckanstiegs entgegen. Im Vergleich zum Innenbord-Up-Rotationsfall führt dies zu einer Verringerung des Flügelauftriebs bei einem bestimmten Anstellwinkel und damit auch zu einer Verringerung des maximalen Auftriebsbeiwerts. Außerdem,

Um die potenziellen aerodynamischen Vorteile der an der Flügelspitze montierten Konfiguration zu quantifizieren, wurde ein direkter Vergleich mit einer herkömmlichen Konfiguration durchgeführt, bei der der Propeller am inneren Teil des Flügels montiert war. Die Erhöhung des Flügelauftriebs aufgrund der Wechselwirkung mit dem Propeller war bei der an der Flügelspitze montierten Konfiguration 1–4 % geringer als bei der konventionellen Konfiguration. Bei letzterem wirken der erhöhte dynamische Druck und Wirbel im Windschatten über die doppelte Ausdehnung in Spannweitenrichtung und auf einen Teil des Flügels, wo der Querschnittsauftrieb höher ist als bei der an der Flügelspitze montierten Konfiguration. Bei höheren Anstellwinkeln könnte der Auftriebsvorteil für die herkömmliche Konfiguration durch die lokale Anstellwinkelzunahme in der Nähe beider Seiten der Gondel weiter verbessert werden.

In Bezug auf die Luftwiderstandsleistung zeigte andererseits die an der Flügelspitze montierte Konfiguration eine überlegene Leistung. Bei einem Flügelauftriebsbeiwert von$C_L = 0.5$und einen Schubkoeffizienten von$0.09 < C_T < 0.13$betrug die Widerstandsreduzierung etwa 15 - 40 Zähler (5 - 15 %) im Vergleich zur herkömmlichen Konfiguration. Der aerodynamische Vorteil der an der Flügelspitze montierten Konfiguration nimmt mit zunehmendem Flügelauftriebskoeffizienten und Propellerschubkoeffizienten weiter zu, was zu einer Widerstandsreduzierung von 100 – 170 Zählern (25 – 50 %) führt$C_L = 0.7$Und$0.14 < C_T < 0.17$. Eine Analyse der Flügelleistung bestätigte, dass dieser Widerstandsvorteil hauptsächlich auf eine Verringerung des flügelinduzierten Widerstands zurückzuführen ist. Im Vergleich zur konventionellen Konfiguration wurde für die flügelspitzenmontierte Konfiguration eine relative Steigerung der Spannweiteneffizienz von bis zu 40 % gemessen. Obwohl der genaue Luftwiderstandsvorteil von der Fahrzeugkonstruktion und den Betriebsbedingungen abhängt, wird geschlussfolgert, dass die Wechselwirkung zwischen dem Propeller-Windschatten und dem Wirbel an der Flügelspitze zu einer deutlichen Verringerung des Luftwiderstands für die an der Flügelspitze montierte Konfiguration führt.

Denken Sie daran, dass dies natürlich rein aerodynamisch ist und aus struktureller Sicht die Dinge möglicherweise nicht so eindeutig sind. Während das Gewicht in den Flügeln dazu beiträgt, die durch den Auftrieb erzeugten Biegespannungen zu verringern, kann eine große Masse an der Spitze die erste Biegeeigenfrequenz auf ein inakzeptables Niveau senken, wodurch eine Kopplung der Flügelschwingungen mit einem anderen Modus im Flug oder am Boden riskiert wird.

Soweit mir bekannt ist, wurden Flügelspitzen-Kraftstofftanks hauptsächlich bei Flügeln mit relativ niedrigem Seitenverhältnis verwendet, was dem Ausmaß dieses Problems eine gewisse Glaubwürdigkeit verleiht.

Abschaffen, nein. Die Flügelspitzenwirbel sind inhärenter Bestandteil der Auftriebserzeugung . Ohne Flügelspitzenwirbel gibt es keinen Auftrieb . Die Nachlaufwirbel tragen den Impuls, der der Luft gegeben wurde, um den Auftrieb zu erzeugen, und um sie aufzuheben, müssten Sie der Luft den entgegengesetzten Impuls geben, der den erzeugten Auftrieb zunichte machen würde. Siehe Wie bildet ein Flugzeug Wirbelschleppen?

Effizienz verbessern, ja, ein bisschen. Die Propeller würden in ihrer Spannweite außerhalb der Flügelspitzen einen Abwind verursachen, was die Flügelspannweite effektiv verlängert, und eine längere Flügelspannweite bedeutet einen etwas geringeren induzierten Widerstand.

Eine solche Konstruktion hätte jedoch ein extrem schlechtes Einzelmotor-Handling, nicht nur, weil der Schub sehr asymmetrisch werden würde, sondern auch, weil der Auftrieb teilweise von den Triebwerken abhängen würde und daher die Seite mit gestopptem Triebwerk auch etwas Auftrieb verlieren und das Querruder ablenken würde Eine Kompensation würde mehr Widerstand erzeugen, um den Schub noch asymmetrischer zu machen. Und es hätte aufgrund des Auftriebsverlusts auch eine schlechte Leistung bei ausgeschaltetem Motor. Klingt nicht nach einem optimalen Ansatz, wenn ähnliche Vorteile ohne all diese Probleme durch die Verwendung längerer Flügel erzielt werden können.

Die Flügelspitzenwirbel tragen etwas Energie, und es scheint eine gute Idee zu sein, sie nicht zurückzulassen. Deshalb sind Winglets doch so eine Sache.

Was wäre also, wenn Sie einen Propeller an der Flügelspitze anbringen und die Achse mit dem Wirbelkern ausrichten? Der Propeller würde die ankommende Verwirbelung "sehen", und die Blätter würden entsprechend größere lokale Einfälle bekommen, wodurch mehr Vorwärtskraft erzeugt wird - ein bisschen so, als würde man Leitschaufeln davor setzen. Alternativ könnte sich der Propeller etwas langsamer drehen oder den Anstellwinkel der Blätter etwas verringern, um den Schub wieder dorthin zu bringen, wo er war. Der Wirbel, den der Propeller erzeugt, würde entsprechend reduziert, so dass insgesamt weniger Wirbel und Wirbel in der Strömung hinter dem Flugzeug auftreten würden.

Das hört sich soweit alles ganz gut an.

Es gibt jedoch einige Nachteile, von den geringsten bis zu den schwerwiegendsten:

1: Der Wintip-Wirbel ist in seinem Kern ziemlich stark, aber die Winkelgeschwindigkeit nimmt schnell ab, wenn Sie sich entfernen - das bedeutet, dass der innerste Abschnitt Ihres Propellers den größten zusätzlichen Einfluss erhält, aber da er sich auch am langsamsten bewegt und die Blätter am dicksten sind, ist es erzeugt sowieso nicht viel Schub. Die äußeren Bits werden keinen großen Effekt sehen, da ihre eigene Umfangsgeschwindigkeit viel höher ist als der Wirbel an dieser Position

2: Wenn der Propeller direkt hinter dem Flügel montiert wird, passieren die Blätter den Nachlauf des Flügelprofils auf der Innenseite, wo der Luftstrom deutlich langsamer ist. Im schlimmsten Fall, wenn die Strömung am Flügel abreißt, könnten die Propellerblätter durch eine erhebliche Zone von "totem Wasser" gehen, was weniger Schub und eine höhere mechanische Belastung der Blätter bedeutet. Auch mehr Lärm. Bei den meisten existierenden Drückerkonfigurationen ist der Propeller in einem gewissen Abstand von der Tragfläche montiert, um diesen Effekt zu verringern. Aber wenn Sie dies mit Flügelspitzen-Druckpropellern tun würden, würde dies die Verstärkung nur zu einem noch schlimmeren Problem machen ...

3: Der Flügelspitzenwirbel passt nicht gut zur Hinterkante der Flügelspitze, geschweige denn zur Propellerachse. Je nach Flugzustand wird der Wirbel stärker oder schwächer sein, und bei großem Einfall wird er eher zu einer verschmierten Wirbelschicht – stellen Sie sich viele kleine Wirbel vor, die von Punkten entlang der äußeren Flügelkante freigesetzt werden und sich in stromabwärtiger Richtung ausbreiten. Dies bedeutet, dass bei vielen Flugbedingungen der Wirbel nicht wirklich mit dem Propeller übereinstimmt, was den gewünschten Effekt verringert, aber bei einigen anderen Bedingungen würden Sie einen starken, gut fokussierten Wirbel haben, der den Propeller irgendwo außermittig trifft. und wenn sich Ihre Propellerblätter drehen, verursacht dies schlechte Vibrationen und möglicherweise auch Ablösungen an den Blättern, was zu Schubverlust und schrecklichen Geräuschen führt. verbunden mit entweder der Notwendigkeit, den gesamten Antriebsstrang zu verstärken (oder einem viel höheren Verschleiß ausgesetzt zu sein). Man könnte einen Propeller gegenüber solchen Dingen aerodynamisch robuster machen, aber das geht immer auf Kosten der Effizienz, und das wollten wir in erster Linie erreichen ...

Druckpropeller sind zunächst nicht sehr effizient (weil es immer noch effizienter ist, das gesamte Flugzeug in den vom Propeller kommenden Wirbel zu bringen, als den Propeller dem Kielwasser des Flugzeugs auszusetzen) und werden hauptsächlich aus Stabilitätsgründen verwendet (Dies hat damit zu tun das Nick- und Giermoment, das von einem Propeller in geneigter Strömung erzeugt wird) - obwohl das Ausrichten eines Propellers mit einem Wirbel isoliert sinnvoll ist, gibt es zu viele reale Effekte, die dies davon abhalten, die Effizienz gegenüber einem normalen alten Frontpropeller zu verbessern .

Können wir also nichts mit diesem Vortex anfangen?Oh ja, das kannst du! Sie könnten einen kleinen Flügel innerhalb des Aufwinds direkt außerhalb der Flügelspannweite platzieren, auch bekannt als "Erhöhen der Flügelspannweite" - mehr Flügel erzeugen mehr Auftrieb, aber der Wirbel wird nicht stärker. Deshalb haben Segelflugzeuge so lange, dünne Flügel. Oder, wenn Sie den Flügel nicht mehr machen können (Flügelwurzel-Biegemoment zu groß, Größenbeschränkungen ...), fügen Sie das bisschen schräg hinzu! Das klassische vertikale Winglet funktioniert so: Es leitet die nach innen gerichtete Strömung über der Flügelspitze um, um direkt stromabwärts zu gehen, und dies erzeugt hauptsächlich eine nach innen gerichtete Kraft, aber auch eine nach vorne gerichtete Komponente ==> das bedeutet, dass es genau das tut, was der Propeller kann nicht effizient, was den Wirbel schwächt und ein wenig Vorwärtskraft daraus ableitet. Heutzutage,

Doug MacLean hat eine großartige Zusammenfassung von Flügelspitzengeräten, die es wert ist, gelesen zu werden, und gibt eine gute Intuition dafür, warum Propeller den Flügelspitzenwirbel reduzieren, aber wahrscheinlich nicht beseitigen könnten.

Zusammenfassend: Der Flügelspitzenwirbel (eigentlich das aufgerollte Wirbel-Nachlaufblatt) erzeugt einen Abwind am Flügel, der den Anstellwinkel des Flügels relativ zum Freistrom effektiv verringert. Dieser Abwind nimmt mit der Stärke des Flügelspitzenwirbels zu, der proportional zum Auftrieb des Flügels ist. Der induzierte Downwash-Winkel$\alpha_i$kann kompakt angegeben werden als$\alpha_i = \frac{C_L}{\pi e AR}$.

Um diesen Abwind zu kompensieren, muss das Flugzeug mit einem höheren Anstellwinkel fliegen, um einen gewissen Auftrieb zu erreichen. Eine Komponente des Aufzugs ($C_L\sin\alpha_i$) zeigt nun in Strömungsrichtung. Dies ist induzierter Luftwiderstand, und wenn der$\alpha_i$klein ist, erhalten Sie den herkömmlichen induzierten Widerstandsausdruck$C_{D_i} = C_L\sin\alpha_i = \frac{C_L^2}{\pi e AR}$.

Wie ändert sich dies, wenn wir eine weitere Quelle der Vorticity hinzufügen? Es wird den Auftrieb des Flügels nicht verringern; die durch die Auftriebsfläche erzeugte Verwirbelung ist immer noch vorhanden. Um den induzierten Widerstand zu beseitigen, wird unsere neue Wirbelquelle idealerweise ein entgegengesetztes Vorzeichen und die gleiche Größe haben, um einen entsprechenden Aufwind am Flügel zu erzeugen, der den Auftriebsvektor zurück in Richtung der Freistromrichtung drehen würde.

Kann der Propeller das? Es lohnt sich, darüber nachzudenken, woher die Vorticity (Wirbel) im Propellernachlauf kommt. Wirbel ist die Tangentialgeschwindigkeit, die dem Kielwasser verliehen wird; es liegt im Wesentlichen an viskosen Verlusten in den Schaufeln. Gut konstruierte Propeller versuchen unter anderem, diese Art von Verlusten zu minimieren. Wenn Sie einen gut konstruierten Propeller hätten, um Vorwärtsschub zu liefern, müssten Sie eine enorme Energiemenge aufbringen, damit die viskosen Verluste dem gesamten Flügelspitzenwirbel entgegenwirken. wahrscheinlich viel mehr als Sie für den Vorwärtsschub benötigen. In einem typischen Jetliner-Flügel beträgt die Auftriebskraft im Reiseflug etwa das 20-fache der Antriebskraft. Wirbelverluste sind wie die Spitzenwirbel proportional zum vom Propeller erzeugten Schub, der um eine Größenordnung kleiner ist als der Flügelauftrieb.

Theoretisch könnten Sie einen Propeller so konstruieren, dass er dem Nachlauf mehr Wirbel hinzufügt und dem Spitzenwirbel effizienter entgegenwirkt. Dies würde jedoch die Effizienz des Propellers bei der Erzeugung von Vorwärtsschub verringern, so dass es unwahrscheinlich ist, dass es einen Nettovorteil gibt.

Wie die Tests zeigen, hat die Flügelspitzenmontage einige Vorteile. Sie können keinen Propeller ohne Wirbel entwerfen, also können Sie ihn genauso gut anerkennen, indem Sie ihn an den Flügelspitzen anbringen (wenn Sie die damit verbundenen Gewichts- und OEI-Kompromisse akzeptieren können). Aber es wird den induzierten Luftwiderstand nicht vollständig (oder auch nur im Wesentlichen) beseitigen.

TL:DR Propellerwirbel und Flügelspitzenwirbel sind beide auf Ineffizienzen in den beiden Systemen zurückzuführen. Diese Ineffizienzen können sich bis zu einem gewissen Grad aufheben, aber sie sind beide proportional zur Kraft, die vom Flügel / Propeller erzeugt wird. Da der Flügel im Reiseflug etwa das 20-fache der Kraft des Propellers erzeugt, dominiert der Effekt seiner Ineffizienz.

Die Entstehung kann man nicht verhindern, aber bei Rotorblättern kann man die Randwirbel so weit reduzieren, dass sie beim nächsten Blatt fast verschwunden sind.