Warum bleiben verjüngte Flügel nicht zuerst an der Wurzel stehen?

Warum blockieren moderat verjüngte Flügel zuerst in der Mitte des Flügels und hoch verjüngte Flügel zuerst an der Spitze? Der effektive AoA sollte nahe der Wurzel immer höher sein? (ohne geometrische oder aerodynamische Auswaschung)

Bitte sehen Sie sich diese Antwort hier an und prüfen Sie, ob Ihre Frage dadurch geklärt wird: Aviation.stackexchange.com/a/75333/41375 . Bei Verjüngung ist das lokale Cl an der Wurzel bei höherem AOA tatsächlich niedriger.
Das ist eine großartige Frage. Kermode ( The Mechanics of Flight, S. 86–7) stellt fest, dass der Stalling-Winkel im Wesentlichen konstant ist, unabhängig vom Profilquerschnitt oder der Fluggeschwindigkeit. Clancy ( Aerodynamics, S. 99) bemerkt das Phänomen des Spitzenabrisses an einem sich verjüngenden Flügel, versucht aber nicht, es zu erklären. Es gibt viele hübsche Diagramme darüber, was passiert, aber keines, das ich gesehen habe, erklärt, warum .

Antworten (3)

Ich werde versuchen, es einfach zu machen, ohne auf mathematische Details einzugehen.

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Quelle

Hier ist λ = ctip/croot

Die wichtigen Faktoren, die den Auftrieb im konischen Flügel steuern.

  1. Ein zu kleiner ctip wirkt sich auf die Reynolds-Zahl aus (da die zurückgelegte Strecke sehr klein ist). Unter der Annahme konstanter Geschwindigkeit, Dichte und Viskosität ändert sich die Reynolds-Zahl nur direkt mit der zurückgelegten Strecke (x). Da der Spitzenabstand zu klein ist, wird die Reynolds-Zahl für die Grenzschicht nicht stark erhöht und daher kann kein Übergang von laminarer zu turbulenter Strömung stattfinden. Auch aufgrund von Hautreibung wird die Strömung langsam und reißt ab. Die Trennung führt zu Auftriebsverlust und damit zu einem Strömungsabriss der Flügelspitzen.

  2. Der Sweepback-Effekt bewirkt, dass die Grenzschicht dazu neigt, in Spannweitenrichtung zu den Spitzen zu fließen, und in der Nähe der Vorderkanten der Spitze getrennt wird.

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  1. Erhöhen des Span-Effizienzfaktors, da er bei konischen Flügeln höher ist, wird mehr Cl produziert.

Es kann auch andere Faktoren geben, die ich vielleicht übersehen habe. Aber das sind die prominentesten. Sie können sich auf das folgende Bild beziehen. Die rote Linie zeigt getrennte Strömungen.

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Ja, Wingroot hat eine höhere effektive AoA. Auf diese Weise ist es einfacher zu verstehen. Für eine gegebene AoA leiden die Flügelspitzen unter Abwind und Wirbeln, was die AoA eff verringert und die induzierte AoA (AoA i ) erhöht. Da die Flügelwurzeln nicht unter den Wirbeln leiden, ist ihr AoA eff höher.

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Abbildung 2 & 3: FAA Pilot's Handbook of Aeronautical Knowledge

Abbildung 4: Einführung in das Fliegen, Anderson

Sie könnten erwägen, das zweite Diagramm durch eines eines trapezförmigen Flügels zu ersetzen. Andernfalls geht der Punkt, den Sie über den "Sweep-Effekt" ansprechen, für den unaufmerksamen Leser verloren.
Wie wirkt sich die Reynolds-Zahl darauf aus? Wie in der ursprünglichen Frage erwähnt, verringert der Abwind über einem konischen Flügel auf den ersten Blick seine AoA, was seine Tendenz zum Strömungsabriss verringern sollte. Warum behauptest du, dass es die Sache verschlimmert?
@GuyInchbald Niedrige Reynolds-Zahlen (laminare Strömung) lassen sich leicht von der Grenzschicht trennen, was zu einem Strömungsabriss führt. Aviation.stackexchange.com/q/78923/44391 Ein Downwash verringert die "effektive" AoA. Die vom relativen Luftstrom gemessene AoA ist höher, was CL erhöht, und ist direkt proportional zu Cd,induzierte.
@NoorulQuamar Die Diskussion, auf die Sie verlinken, erwähnt die Reynolds-Zahl nicht. Es ist auch nicht klar, wie eine "effektive" Verringerung der AoA die Auswirkungen einer Erhöhung verursacht. Der Mangel an Klarheit in der Antwort deutet für mich auf einen Mangel an Klarheit im Verständnis hin und daher keine Garantie für die Richtigkeit.
@GuyInchbald Der Link war für Trennung vs. turbulent (es tut mir leid, ich habe es nicht erwähnt). Die Reynolds-Zahl ist proportional zur zurückgelegten Strecke (x). Da Ctip kleiner ist, ist die Reynolds-Zahl nicht viel, damit die Strömung in turbulente übergeht, und sie wird auf eine solche Geschwindigkeit verlangsamt, dass die Trennung einfacher wird. Die Trennung verursacht Auftriebsverlust und damit Strömungsabriss.

Der Hauptgrund ist die Reynolds-Zahl und die Art und Weise, wie sie den Luftstrom beeinflusst.

Der Strömungsabrisswinkel ist für alle Flügel über einen Bereich von Geschwindigkeiten mehr oder weniger konstant. Die Form und Fluggeschwindigkeit des Profils an sich machen nur einen sehr geringen Unterschied zum Strömungsabrisswinkel. Die Abwürgegeschwindigkeit eines Flugzeugs wird hauptsächlich durch den Anstellwinkel bestimmt, der erforderlich ist, um bei dieser Geschwindigkeit einen angemessenen Auftrieb zu gewährleisten.

Spannweite Strömung ist auch kein primäres Problem, da ihre Richtung zwischen Typen mit einer schärfer geschwungenen Vorderkante und Typen mit einer stärker nach vorne gepfeilten Hinterkante deutlich variiert. Beide haben jedoch das gleiche Problem mit dem Spitzenstall.

Bei einem geraden Flügel mit konstanter Sehne verursacht der Auftriebsdruck eine Aufwärtsströmung vor der Vorderkante in der Nähe der Wurzel. Dies erhöht die effektive AoA, sodass sie den kritischen Winkel erreicht und zuerst abwürgt. Das seitliche Verschütten um die Spitze verringert den Auftrieb und damit auch den AoA-Effekt.

Für einen stark verjüngten Flügel wird die Reynolds-Zahl relevant. Sie ist für den vorliegenden Zweck eine Funktion der Größe des Strömungsprofils und der Geschwindigkeit und Viskosität der Luft. Da wir nicht über die Höhe sprechen, können wir die Viskosität als konstant annehmen. Große Größe und hohe Geschwindigkeit bedeuten eine große Reynolds-Zahl.

Bei einer hohen Reynolds-Zahl dominieren Trägheitseffekte der Luftmasse und die Strömung neigt dazu, über einen langen Weg zurück laminar zu sein.

Bei einer niedrigen Reynolds-Zahl dominiert die Viskosität der Luft, und diese neigt dazu, Turbulenzen zu erzeugen, wenn der Druck über dem Flügel abfällt.

Der Anstellwinkel, bei dem es zu einer Strömungsablösung kommt, hängt also entscheidend von der Reynolds-Zahl ab.

Ein stark verjüngter Flügel hat eine hohe Reynolds-Zahl an der Wurzel, sodass ein gleichmäßiger Fluss bis zu einer relativ hohen AoA aufrechterhalten wird. Aber es hat eine niedrige Reynolds-Zahl an der Spitze, sodass die Luftviskosität zu einer Strömungsablösung und einem Strömungsabriss führt.

Dies ist viel besser, da es die Unterseite der Flügelwurzel behandelt, aber ... wenn man sich auf die Oberseite des Flügels konzentriert, ist die Strömung in Spannweitenrichtung ein Problem, da sie den Abwind hinter dem Flügel schwächt und es der Niederdruckblase ermöglicht, sich zu verkürzen (Beginn Büffeln). Die Laminarströmungstrennung (oh, der andere Strömungsabriss) ist der Reynolds-Effekt auf der kürzeren Sehne. Langsamere, kürzere Akkorde versuchen, den Fluss zu "auslösen", wodurch eine energetisierte Schicht entsteht, die weniger anfällig für Trennungen ist. Aber ich würde behaupten, dass es sich um eine träge Luftmasse handelt, die einer Biegung widersteht, und eine Viskosität, die es Luftstrommolekülen ermöglicht, beim "Biegen" nicht auseinander zu fliegen.
Also müssen wir das in einem Windkanal machen, zuerst mit Luft, dann Helium, dann (warum nicht!) CO2. Ein wenig Einfallsreichtum, denke ich.
@RobertDiGiovanni Viskosität funktioniert nicht so. Superflüssiges Helium hat keine Viskosität und keine Turbulenzen. Erwärmen Sie es über die kritische Temperatur und wenn die Viskosität so erscheint, dass es nicht mehr superflüssig ist, tun dies auch die Turbulenzen.
Es gibt wirklich 2 Enden. Viskosität wichtiger bei niedrigem Re (Insekten) und laminar bis turbulent bei hohem Re. Bildung einer stabilen "Blase" mit niedrigem Druck. Darüber hinaus ist alles Bottom-Lift. Es scheint, dass die Modellierung aus diesem Grund mit "inviscider Strömung" erfolgt.

Spannweite Strömung scheint viel damit zu tun zu haben, und die Flügelspitzenwirbel können sowohl den lokalen effektiven Anstellwinkel als auch den Luftstrom des oberen Flügels beeinflussen. (Dank an @Noorul Quamar)

Beginnen wir mit dem rechteckigen Flügel. Es bleibt zuerst an der Wurzel hängen. Die maximale Druckdifferenz zwischen oberem und unterem Flügel und die Interferenz des Rumpfes (und der Stütze) mit dem Luftstrom verursachen hier zuerst eine Strömungsablösung, wenn der AOA zunimmt. Die Flügelspitzenwirbel tragen auch dazu bei, eine "Schwachstelle" in der oberen hinteren Mitte des Flügels zu erzeugen, indem sie den Luftstrom zu den Flügelspitzen ziehen.

Eine niedrigere Reynolds-Zahl aufgrund eines kürzeren Akkords führt auch dazu, dass ein Flügelabschnitt bei einem niedrigeren AOA blockiert. Bei einem mäßig verjüngten Flügel heben sich beide Effekte tendenziell auf, und der Beginn des Strömungsabrisses liegt im Durchschnitt zwischen Flügelspitze und Rumpf.

Bei einem stark verjüngten Flügel (ohne Auswaschung) wird die zunehmend kürzere Sehne zum vorrangigen Faktor. Trotz ihrer hervorragenden aerodynamischen Effizienz (wie bei Möwen und DC 3s zu sehen) blockieren diese Flügel zuerst an den Spitzen und sind notorisch gefährlich im "niedrigen und langsamen" Wendeflug.

Washout und/oder Leading Edge Slats machen diese Flügel viel sicherer. Auch das Aufbiegen einer konisch zulaufenden Spitze zu einem "Winglet" ist derzeit im Trend. Rückwärts-Sweep wurde ebenfalls untersucht.

Weitere Informationen finden Sie unter airfoil tools

Laut der verknüpften Antwort des JZYL wird der Rumpf nicht benötigt; rechtwinklige Flügel reißen sogar von selbst mit der Wurzel zuerst ab, die Verringerung der Effizienz zu den Spitzen hin ist alles, was es braucht.
Bei einem kreisförmigen Spanndraht ist der Luftstrom bei niedrigen Reynolds-Zahlen gleichmäßiger. Warum sollte ein Flügel anders sein?
@Guy Inchbald Weil Spanndrähte nicht die Aufgabe haben, Auftrieb zu erzeugen. Hier kann der Geschwindigkeitsfaktor des Reynolds von größerer Bedeutung sein. Bei einem Flügel ist die Geschwindigkeit für eine bestimmte Situation konstant, wobei der Akkord als Variable verbleibt (für einen bestimmten AOA). Danke Jan.
... der immer kürzer werdende Akkord wird zum übergeordneten Faktor. -- wie geht das auf das Warum ein? Erwägen Sie eine Bearbeitung, um sie zu erweitern/erklären, danke.
@ ymb1 Ich denke, die Logik ist sehr klar, beginne mit rechteckig und gehe zu konisch über. Das verjüngte Ende hat eine niedrigere Reynolds-Zahl. So balancieren Sie Druckdifferenz und Akkordeffekte aus.
Fand diese nette Erklärung von Peter: Der sich verjüngende Flügel erzeugt aufgrund der Saugkraft des tiefen inneren Flügels induzierte Belastungen am äußeren Flügel.
@RobertDiGiovanni Sie sagen, dass eine niedrigere Reynolds-Zahl zu einem früheren Stall führt, weil der Flügel Auftrieb erzeugt. Das ist keine große Erklärung. Können Sie die technischen Details etwas weiter ausführen?
@Guy Inchbald, nein, ich sage, dass Verstrebungsdrähte bei niedrigeren Reynolds-Zahlen einen gleichmäßigeren Luftstrom haben, was eher ein Vergleich der variablen Geschwindigkeit für denselben Draht ist, es sei denn, wir können konische Drähte ergründen. Seien wir nicht albern, der AOA des unteren Strömungsabrisses ist eine Funktion des Akkords.
Während kleinere Reynolds-Zahlen tatsächlich ein Teil der Erklärung sind, ist der stärkere Effekt der höhere Auftriebsbeiwert am äußeren Abschnitt des konischen Flügels. Die Zirkulation (entspricht dem lokalen Auftriebskoeffizienten mal der lokalen Sehne) tendiert immer dazu, über die Spannweite elliptisch zu sein, und der lokale Auftriebskoeffizient muss die fehlende Sehne ausgleichen.
Warum bleiben verjüngte Flügel nicht zuerst an der Wurzel stehen?
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