Warum nimmt der Auftrieb ab und der Widerstand zu, wenn man sich dem Strömungsabriss nähert?

Nachdem der Strömungsabriss erreicht ist, erzeugt das Profil immer noch Auftrieb, aber weniger als vor dem Strömungsabriss. Außerdem hat sich der Luftwiderstand aufgrund der abgetrennten Grenzschicht auf der Oberseite des Flügels stark erhöht, was einen Druckwiderstand verursacht.

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Die obige Abbildung zeigt, warum sich die Grenzschicht ablöst: Der Luftstrom nahe der Haut wird durch Reibung verlangsamt und hat nicht genug kinetische Energie, um den Druckgradienten entlang der oberen hinteren Seite zu überwinden. Der statische Druck in der Wake-Region des Bildes ist ziemlich niedrig, was den Druckwiderstand verursacht.

Der Auftriebsverlust ist auch auf die abgelöste Luftströmung zurückzuführen, die Strömung hinter dem Ablösepunkt geht für die Auftriebserzeugung verloren. Der Auftriebsverlust ist nicht auf die Flügelneigung zurückzuführen: Der Auftriebsvektor steht senkrecht zum Fluggeschwindigkeitsvektor, nicht zur Flügelsehne.

Bildquelle @ Re=10$^6$

Der obige Prozess findet schrittweise statt:$C_L$steigt linear mit dem Anstellwinkel an, bis sich der Ablösepunkt an der hinteren Flügelspitze befindet (ca$\alpha$= 12° im Diagramm), nimmt dann allmählich mit AoA ab, bis es seinen Höhepunkt erreicht$\alpha$= 16°. Bei diesem max$C_L$Spitze gibt es bereits eine ziemliche Ablösung des Luftstroms im oberen Flügelbereich.

Betrachtet man das obige Beispiel, ist der Punkt bei$\alpha$= 12° wäre der Punkt des Strömungsabrisses , an dem der Auftriebskoeffizient abzunehmen beginnt und Turbulenzen erkannt werden können, aber der Auftrieb immer noch mit AoA zunimmt. Der Punkt bei$\alpha$= 16° ist der Stallpunkt: Eine weitere Erhöhung der AoA führt zu einer Verringerung des Auftriebs.

Eine einfache und wohl leicht verständliche Antwort ist, dass der Flügel keine separaten Kräfte erzeugt, die als Auftrieb und Widerstand bezeichnet werden. Es erzeugt an jedem Punkt des Flügels * eine Kraft, die an jedem Punkt in eine Richtung senkrecht (senkrecht) zur Oberfläche des Flügels zeigt. Der Auftrieb ist nur die Summe der Komponenten all dieser Kräfte, die normal oder senkrecht zur Flugbahn des Flugzeugs sind (seine Flugrichtung durch die Luft), und der Luftwiderstand ist nur die Komponente all dieser Kräfte, die parallel dazu sind Flugbahn. (Siehe Bild in der Antwort von @Koyovis oben ... All diese kleinen Grafiken, die an der Oberseite des Flügels angebracht sind, sind überall vorhanden - an jedem einzelnen Punkt auf der Oberfläche des GanzenFlugzeugzelle), und jeder einzelne von ihnen produziert eine Lift-Komponente und eine Drag-Komponente.

Wenn sich ein Tragflügel einem Strömungsabriss nähert, nimmt sein Anstellwinkel (AOA) zu, dh der Winkel des Flügels in Bezug auf die Flugbahn wird steiler, sodass jede dieser tatsächlichen Kräfte an jedem Punkt wirkt des Flügels kippt immer mehr nach achtern (nach hinten). Daher nimmt die Komponente dieser Kräfte senkrecht zur Flugbahn (LIFT) ab und die Komponente parallel zur Flugbahn (DRAG) zu.

• Aerodynamische Kräfte sind nur der statische Druck der Luft, die auf die Oberfläche eines beliebigen Strömungsprofils (oder tatsächlich jeder Form) drückt, das sich durch die Luft bewegt. Diese Kräfte werden durch die Kollisionen von Luftmolekülen verursacht, die auf die Oberfläche treffen und zurückprallen. Bei diesen Kollisionen wird Impuls ausgetauscht, und die aerodynamische Kraft ist nur das Ergebnis der Impulsänderung. Die Formel ist einfach F=ma.

Diese Formel ist eigentlich eine Abkürzung für F=dP/dt. Wobei P der Impuls ist (Masse x Geschwindigkeit oder mV), also ist dP die Änderung des Impulses und dP/dt die Änderungsrate des Impulses. Es ist dasselbe wie F=ma, weil a die Änderungsrate der Geschwindigkeit (dV/dt) ist, also ist F=ma dasselbe wie F=mx dV/dt, was dasselbe ist wie F = d(mV)/dt, was dasselbe ist wie F=dP/dt, da P = mV

Die Antwort beginnt mit dem Verständnis, wie aerodynamische Kräfte erzeugt werden. Die aerodynamischen Kräfte resultieren aus der Druckverteilung um das Schaufelblatt und aus den Scherkräften aufgrund der Viskosität (siehe Wikipedia- Definition, ohne zu sehr ins Detail zu gehen).

Ausgehend davon können wir einen einfachen Fall (NACA0012) betrachten, in dem wir ein symmetrisches Profil bei 3 Grad haben. Das Strömungsfeld wird an das Schaufelblatt "angebracht" und wir haben die maximale Effizienz, weil wir keine "Zirkulationszonen" haben (mathematisch können wir die Hypothese der potentiellen Strömung aufstellen und sagen, dass wir keine Zone mit einer von 0 verschiedenen Wirbelstärke haben, wenn Sie mehr wissen wollen, schauen Sie sich die Sätze von Helmoltz an ). Je mehr wir den Winkel erhöhen, desto mehr haben wir zufällig einen nachteiligen Gradienten auf der Rückseite der oberen Fläche des Schaufelblatts. An einem bestimmten Punkt führt dieser ungünstige Gradient dazu, dass sich die Grenzschicht trennt und die Strömung nicht mehr anhaftet (sehen Sie sich das anum den Mechanismus zu verstehen). Dies führt zu einer anderen Druckverteilung, wie Sie auf dem Bild von Thwaites sehen können , das ich Ihnen hier anhänge.

Wie Sie sehen können, ist das Ergebnis der Druckverteilung (der Bereich unter der Linie) weniger ausgeprägt. Dies lässt sich leicht mit dem Satz von Bernoulli beschreiben . Sie können sich vorstellen, dass der Flüssigkeitsflügel durch die abgelöste Strömung begrenzt ist und Sie daher einen Druckanstieg in Bezug auf die anhaftende Strömung haben. Dies ist also letztendlich die Physik hinter dem Strömungsabriss und der Verschlechterung der aerodynamischen Leistungen (abrupter Rückgang des Auftriebs und Anstieg des Luftwiderstands aufgrund des Formwiderstands ). Diesbezüglich gibt es verschiedene Arten von Ständen. Um ein bisschen mehr zu erfahren, empfehle ich Ihnen, diesen NASA-Bericht zu lesen.

Die Tatsache, dass der Auftrieb vor dem Strömungsabriss abnimmt, hängt von der Art Ihres Strömungsabrisses ab. Beim ECQB denke ich, dass sie mit "Stall" nicht die Verschlechterung des aerodynamischen Koeffizienten Stall meinen, sondern den Fall, in dem die Strömung vollständig abreißt. Es gibt Abrisse, bei denen auf den Oberseiten eine laminare Ablöseblase aufgesetzt wird, man aber durch turbulenten Übergang eine Wiederanhaftung hat. Ein Beispiel sehen Sie in der Abbildung unten (Vorderkante kurze Blase).

Hier haben Sie eine Abnahme des Auftriebs vor der vollständigen Trennung der Strömung, daher würde dies eine Antwort auf die ECQB-Frage geben.

Auf airfoiltools.com können Sie viele Beziehungen von Auftrieb und Luftwiderstand untersuchen, ohne sich Gedanken über die "richtige" Antwort auf einen Test machen zu müssen.

In einem bestimmten Studiengang kann "Annäherung an den Strömungsabriss" das Warnsignal für eine Ablösung des Luftstroms von der Hinterkante des Flügels sein. Mit einer Lupe können Sie sehen, wie der Auftrieb hier abnimmt, während der Luftwiderstand weiter zunimmt. Vielleicht in einem Bereich von einigen Zehntel Grad AoA, bevor der Flügel vollständig abreißt.

Aber wie die "Polardiagramme" zeigen, und als Pilot, ist die genaue AoA, die das passiert, trivial, und verschiedene Tragflächen können in der Nähe des Strömungsabrisses sehr unterschiedliche Verhaltensweisen haben. Verwenden Sie am besten V$^2$für ausreichenden Auftrieb beim Fliegen und halten Sie sich von übermäßigem AoA fern.

Eine mögliche theoretische Erklärung für einen bestimmten Flügel könnte im 3D-Untersuchungsbereich liegen, dass die Flügelspitzenwirbel beginnen, sich bei höherer AoA stärker in die Oberseite der Flügelspitze einzurollen, wodurch der Gesamtauftrieb kurz vor dem Stall verringert wird.

Man könnte mit seinem Professor über dieses Thema sprechen.