Warum führt eine saubere Konfiguration zur Erzeugung größerer Flügelspitzenwirbel?

Ich würde eher vom Gegenteil ausgehen.

Nehmen wir an, die Wirbelintensität und der induzierte Widerstand sind direkt korreliert. Der induzierte Luftwiderstandsbeiwert kann ausgedrückt werden als:

$c_{Di}=\frac{c_L^2}{\pi\cdot AR \cdot e}$

• $c_L$: Auftriebskoeffizient
• $AR$: Flügelseitenverhältnis
• $e$: Der sogenannte Oswald-Faktor , eine Zahl, die bei elliptischen Auftriebsverteilungen gleich eins ist. Sie nimmt für Verteilungen ab, die von der elliptischen abweichen.

Die meisten Flügeldesigns zielen darauf ab, eine elliptische Auftriebsverteilung zu erreichen, um den induzierten Widerstand in einer sauberen Konfiguration zu minimieren .

Wenn Klappen, Spoiler, Air-Breaks usw. eingesetzt werden, weicht die Auftriebsverteilung erheblich von der elliptischen ab (siehe Diagramm), wodurch die Auftriebsverteilung verringert wird$e$Faktor und Erhöhung des induzierten Widerstands. Wenn die erste Annahme immer noch zutrifft, wird eine Erhöhung des induzierten Widerstands durch eine Erhöhung der Wirbelintensität verursacht worden sein.

Zusätzlich können mit eingesetzten Hochauftriebsvorrichtungen deutlich höhere Auftriebsbeiwerte erreicht werden, die ebenfalls zur Erhöhung der Wirbelintensität beitragen.

Was verursacht Flügelwirbel? Wenn der Flügel Auftrieb erzeugt, herrscht darunter ein höherer Luftdruck und darüber ein niedrigerer Luftdruck. An der Flügelspitze schlägt die Hochdruckluft in die Niederdruckluft um, und dies erzeugt das Rotationselement des Wirbels, wie in diesem Artikel beschrieben. Je mehr Auftrieb an der Flügelspitze erzeugt wird, desto stärker wird der Wirbel.

Der aerodynamische Auftrieb ist ein Produkt aus Auftriebskoeffizient, Luftdichte, Luftgeschwindigkeit und Flügelfläche. Für Unterschallgeschwindigkeiten: L =$C_L$* ½ * ϼ *$V^2$* A. Nur der Faktor ½ in dieser Gleichung ist eine echte Konstante! Wir haben eine Gleichung mit fünf Variablen, also schauen wir uns an, was wann variiert.

Entgegen unserem ersten Instinkt ist die Flügelfläche keine Konstante. Moderne Flugzeuge haben Fowler-Klappen an der Hinterkante, die nach außen verlängert sind und die Flügelfläche vergrößern, sowie die Krümmung des Flügels ändern, was den Auftriebskoeffizienten bei einer bestimmten AoA erhöht. Das ist also der erste Teil unserer Antwort: Mit ausgelenkten Klappen haben wir mehr Flügelfläche, um einen bestimmten Auftrieb zu erzeugen, daher geringere erforderliche Luftdrücke, daher weniger Luftumschläge an der Flügelspitze :).

Auch der zweite Teil unserer Antwort hat mit Klappen zu tun. Eine elliptische Auftriebsverteilung ist nur möglich, wenn die Flügelspitze null AoA hat, eine Situation, die im Reiseflug auftreten soll. Eine saubere Tragflächenkonfiguration ist für den Reiseflug konzipiert, wo viel Fluggeschwindigkeit vorhanden ist, um Auftrieb zu erzeugen, und wir den induzierten Widerstand auf einem Minimum halten wollen. Dieser gleiche saubere Flügel ist sehr schlecht geeignet, um den gleichen Auftrieb bei der geringstmöglichen Landegeschwindigkeit zu erzeugen.

CL ist eine Funktion des Anstellwinkels und der Flügelform. Die Antwort mit dem Diagramm von CL zeigt CL bei konstantem Alpha als Funktion der Klappenauslenkung. Ein Diagramm von CL bei konstanter Klappenauslenkung als Funktion von Alpha würde relativ mehr Auftrieb zeigen, der nahe der Flügelspitze erzeugt wird, und dort werden die Flügelwirbel erzeugt. Die Klappen befinden sich weiter innen, was bedeutet, dass beim Auslenken ein größerer Teil der Auftriebskraft von der Flügelspitze entfernt erzeugt wird.

Ich habe diese beiden Gründe gesehen, die verwendet wurden, um dies zu erklären, und wahrscheinlich tragen beide dazu bei, aber in meinem CPL-Training wurde mir beigebracht, dass der Grund darin besteht, dass ein nicht sauberes Flugzeug ist (und denken Sie daran, dass dies Fahrwerk, Spoiler, Lamellen umfasst usw.) bewirkt, dass der Luftstrom gestört wird, wodurch die Wirbelbildung reduziert wird. Die Aussage bezieht sich immer auf „sauber“, nicht auf „Klappen eingefahren“.

Die Frage tauchte auch auf Quora auf , und es kamen zwei Antworten zurück, eine mit der Begründung, die ich gegeben habe, und eine andere, die das erhöhte AoA-Konzept verwendet.

Ich bin mir nicht sicher, ob bei Klappen und Ausrüstung alles so einfach und offensichtlich ist.

Tatsächlich haben wir bei Klappen mindestens vier Punkte für die Wirbelerzeugung: an den Flügelspitzen und an den Außenkanten der Klappen, und sie können sich miteinander vermischen. Die Antwort der FAA/EASA scheint auf der folgenden NASA-Forschung zu beruhen und berücksichtigt die Kombination von Flügelspitzenwirbeln mit Klappen-/Getriebewirbeln und eine schnellere Schwächung der Gesamtwirbelstärke. Ich nehme an, dass es wirklich Sinn macht: Flugzeuge in sauberer Konfiguration erzeugen "traditionelle", ziemlich gut untersuchte Wirbel, während Flugzeuge in Landekonfiguration viel kompliziertere interferierte turbulente Strömungen erzeugen. Es ist sehr schwer zu sagen, welches stärker und gefährlicher ist.

Ein sehr interessanter Thread zu diesem Thema ist auf PPRuNe zu finden , mit netten Bildern von völlig verwirrten Situationen, in denen sich der Wirbel vom linken Flügel auflöst, während der rechte stabil und schmal bleibt.

Und hier ist eine weitere Forschung über Wirbelschleppen mit interessanten Ergebnissen.