Warum beeinflussen Flügelspitzenwirbel den Aufwind vor dem Flügel?

Dies ist ein faszinierendes Thema, und es läuft wirklich auf die Mechanik des Auftriebs hinaus. Physikalisch werden Aufwind und Abwind erzeugt, wenn die Luft beschleunigt/abbremst und sich um die LE des Flügels krümmt. An den Flügelspitzen krümmt sich Luft mit höherem Druck nach oben und erzeugt die uns bekannten Wirbel. Tatsächlich werden auch an der Hinterkante des Flügels Wirbel erzeugt, nur nicht so auffällig. Offensichtlich ist dieses Bild unbefriedigend, da es uns keinen Einblick gibt, den wir anheben können.

Nach der Potentialströmungstheorie (rotationsfrei, inkompressibel und reibungsfrei) wird Auftrieb immer dann erzeugt, wenn eine Nettoluftzirkulation vorhanden ist. Ein besonders erfolgreiches Modell, die Lifting Line Theory, modelliert die Spannweite des Flügels als eine Sammlung von U-förmigen Hufeisenwirbeln : Es gibt einen gebundenen Wirbel an der Stelle der Spannweite und zwei nachlaufende Wirbelarme, die sich zum Fernfeld erstrecken.

Da haben Sie es also. Durch einen einzelnen Wirbel wird ein winziger Abwind erzeugt, wenn er die Strömung an dieser Stelle nach unten dreht, und ein winziger Aufwind wird erzeugt, wenn er die Strömung nach oben dreht. Wenn Sie weiterrechnen und alle Einflüsse an einem beliebigen Punkt auf der Spannweite summieren, ist der Nettoeffekt ein Downwash (der den effektiven AOA ändert und wie Sie erwähnt haben, zu einem induzierten Widerstand führt).

Wenn Sie dasselbe für einen Standort vor dem LE tun, erhalten Sie einen Netto-Upwash und einen umgekehrten für TE. Dies erscheint intuitiv: Wenn Sie herauszoomen und den gesamten Flügel als eine einzige Zirkulation behandeln, sollte die Zirkulation im Uhrzeigersinn erfolgen (angenommen, die Luft kommt von links), wobei sich die Luft nach links nach oben und nach rechts nach unten bewegt.

Es gibt komplexere Modelle wie Wirbelgitter, Wirbelplatten usw. Aber diese Theorie ist ziemlich intuitiv und führt den induzierten Widerstand ein. Übrigens ist der induzierte Widerstand ein endliches Spannweitenphänomen. Wenn Sie eine unendliche Spannweite haben, stellen Sie den 2D-Auftriebskoeffizienten vollständig wieder her und der induzierte Widerstand verschwindet, obwohl die Wirbel bestehen bleiben.

Obwohl Spitzenwirbel normalerweise als kleiner horizontaler Tornado angesehen werden, der von der Flügelspitze der Hinterkante ausgeht, handelt es sich tatsächlich um ein großes Strömungsfeld, das sich vor und hinter und auch über die Spitze hinaus erstreckt. Sowohl der Aufwind als auch die Spitzenzirkulationsströmung beginnen weit vor dem Flügel. Es ist einfach am intensivsten in der Nähe der Oberfläche der Spitze nach hinten.

Sie können dies sehen, wenn Sie ein darunter stehendes Winglet untersuchen und feststellen, dass die Sehnenlinie des Flügels einige Grad nach außen zeigt, um die AOA in der Spitzenzirkulation zu maximieren, da das Zirkulationsströmungsfeld weit vorne begonnen hat und die Strömung bereits nach innen gekrümmt ist an der Vorderkante des Winglets.

Weiter innen ist es nur die Aufwind-"Bugwelle" des sich bewegenden Flügelkörpers davor, aber zur Spitze hin beginnt der Aufwind bereits nach oben zu zirkulieren, während er noch Aufwind ist, sodass der Nettowinkel größer ist .