Warum sollte die Vorderkante bei Unterschallprofilen mit niedriger Geschwindigkeit stumpf sein?

Wenn Sie ein Profil mit scharfer Vorderkante im Unterschallbereich verwenden, müssen Sie den Anstellwinkel so anpassen , dass der Staupunkt direkt an der scharfen Kante liegt.

Bei jedem Flugzustand sollte es einen AoA geben, der dies erreicht. Höherer AoA und der Stagnationspunkt ist zu niedrig. Zu niedrige AoA und der Stagnationspunkt ist zu hoch. Die Flugbedingungen ändern sich jedoch häufig, sodass sich auch die erforderliche AoA dynamisch ändert. Da AoA auch den Auftrieb antreibt und der Auftrieb im Kopf eines Piloten Priorität hat (er will schließlich weiterfliegen), wird der Staupunkt nur gelegentlich mit der Vorderkante übereinstimmen.

Während des Fluges wird die AoA oft nicht mit dem Staupunkt übereinstimmen , sagen wir, bei zu hoher AoA würde eine Trennung unterhalb der Vorderkante (an den "Intrados") auftreten. Dies ist die einzige gute Illustration, die ich finden konnte:

Der Staupunkt liegt an der Spitze der einzigen grauen Linie, die direkt auf der schwarzen Platte endet. Grundsätzlich folgen alle ankommenden Strömungen zwischen dieser Vorderkante und dem Staupunkt (leider zeigt dies keine Linie auf dem Bild) dieser Trajektorie:

• Kommt mit hoher Geschwindigkeit auf das Profil, unterhalb der Vorderkante, in Richtung Staupunkt, zielt aber nur geringfügig höher.
• Der Staupunkt ist der Punkt mit dem höchsten Druck, daher verlangsamt sich die einströmende Strömung
• Kommt ein Punkt, an dem die Verlangsamung ausreicht, um die Strömung tatsächlich umzukehren, die jetzt entlang der Oberfläche in Richtung der Vorderkante schießt, jetzt angetrieben durch den Druck vom Staupunkt
• Wenn die Strömung von unten an der Vorderkante ankommt, muss sie eine Kehrtwende um die Vorderkante machen, um der Flügelform zu folgen und in Richtung der "Extrados" zu fließen und ihr Leben fortzusetzen.

Darin liegt das Problem: Wenn die Luft schließlich an der Vorderkante ankommt, hat die Luft eine Geschwindigkeit ungleich Null (die Geschwindigkeit Null tritt nur am Staupunkt auf, von dem es nur einen gibt), muss sie jedoch sofort umkehren. Die Physik sagt nein , und Sie erhalten einen großen Wirbel an der Vorderkante, um die Bewegung zu glätten. Leider wird dies auch als Strömungsablösungsblase bezeichnet, die zu einem Strömungsabriss führen kann.

Das ist:

• schlecht für die Leistung (Drag)
• schlecht für die Sicherheit (haltbar)
• schlecht für den Komfort (Vibration durch die Wirbel)
• schlecht für die Struktur (Vibrationsermüdung)

Warum passiert das nur im Unterschallflug?

Bei Überschallgeschwindigkeit können Informationen nicht mit demselben Druckgradienten-Trick auf die Strömung zurückfließen, sobald sich die Luft auf den Intrados / Extrados befindet, bleibt sie dort und kann nicht in die andere Richtung zurückfließen. Es ist also keine 'Anpassung' möglich, unabhängig von AoA.

Warum eine abgerundete Vorderkante verwenden, um dies bei Unterschall zu beheben?

Mit einer abgerundeten Kante ist der U-Turn nicht so scharf, er ist für die Luft eigentlich beherrschbar. Das bedeutet, dass Sie nicht immer eine Flusstrennung haben, also sind Sie sicher. Je runder, desto einfacher bleibt die Reichweite von AoA „angepasst“. Dieses animierte GIF zeigt sehr gut, wie sich der Staupunkt um die abgerundete Spitze bewegen kann, wodurch eine Trennung vermieden wird:

^{Quelle: UNIVERSITÄT GENUA FAKULTÄT FÜR TECHNIK ABTEILUNG FÜR UMWELTTECHNIK FLUESSIGKEITEN EINER UNSICHTBAREN FLÜSSIGKEIT IN ROTATIONSFLÄCHEN}

TL;DR Es ist möglich, Unterschall mit scharfer Vorderkante zu fliegen, aber weniger sicher und mit geringerer Leistung. Der Schlüssel ist die AoA-Anpassung.

Die kurze Antwort lautet, dass eine stumpfe Vorderkante einen breiteren Anstellwinkel toleriert als eine scharfe Vorderkante. Noch einfacher verständlich zu machen, macht das Flugzeug fehlerverzeihender als eine scharfe Vorderkante.

Ich bin mir sicher, dass jemand eine gründlichere Erklärung geben wird, die mit dem übereinstimmt, was ich hier gesagt habe. Ich dachte nur, es wäre nützlich, eine schnelle Antwort zu geben.

Eine stumpfe Vorderkante ist nicht erforderlich. Einige Unterschalltragflächen mit niedriger Geschwindigkeit, wie das Wainfan Facetmobile, haben scharfe Vorderkanten. Das Airfoil-Design hat viele Kompromisse, Auftrieb/Widerstand, vorhersehbare Strömungsabrisseigenschaften usw.