Was ist die grundlegende Physik hinter der Abnahme von L/D, wenn AoA über den optimalen Punkt hinaus ansteigt?

Der grundlegende Grund ist, dass bei ausreichend hohem AoA der Auftrieb Null wird – sicherlich nicht später als ein AoA von 90°! An diesem Punkt ist L/D Null (es wird viel Luftwiderstand geben). Irgendwo zwischen 0° und 90° gibt es also einen AoA mit dem höchsten L/D, und das ist per Definition der optimale AoA. Etwas außerhalb dieses Winkels gibt es für L/D nichts zu tun , außer zu verringern, denn wenn dies nicht der Fall wäre, wäre der Winkel, über dem wir uns befinden, nicht optimal.

Wenn Sie sich jetzt fragen würden, warum dieser bestimmte Winkel für ein bestimmtes Profil optimal ist, müssten wir uns mit Aerodynamik und Grenzschichten und so weiter befassen. Es geht nicht nur darum, was mit den Molekülen passiert, die die Unterseite des Flügels treffen (versuchen), sondern mindestens ebenso sehr darum, wie gut die Moleküle über dem Flügel davon überzeugt werden können, ihn nicht zu treffen.

Beachten Sie, dass oberhalb der optimalen AoA bis zum kritischen (Stall-)Winkel der erzeugte Auftrieb mit zunehmender AoA immer noch zunimmt - es ist nur so, dass in diesem Bereich der Luftwiderstand schneller zunimmt als der Auftrieb.

Lokale Geschwindigkeit bei niedrigem Anstellwinkel

Bei niedrigem Anstellwinkel trifft die entgegenkommende Luft direkt an der Spitze der Vorderkante auf das Profil. Es gibt nicht viel Krümmung zu überwinden, bevor die lange Strecke mit wenig Krümmung hinter der Nase folgt. Um seinen Strömungsweg schnell zu ändern, muss das Luftmolekül in einem hohen Druckgefälle strömen, und dieses Gefälle beschleunigt es nicht nur seitwärts, sondern auch in Strömungsrichtung. Folglich sehen Bereiche mit hoher Krümmung eine hohe lokale Strömungsgeschwindigkeit. (Ich habe die Physik auf sehr einfache Weise erklärt; wenn Sie mehr wissen wollen, lesen Sie bitte dies ).

Lokale Geschwindigkeit bei hohem Anstellwinkel

Mit zunehmendem Anstellwinkel muss die Saugfläche über dem Schaufelblatt stärker werden, um den Luftstrom zu zwingen, der Kontur zu folgen. Dadurch wird mehr Anströmung über den Flügel gesaugt und der Staupunkt verschiebt sich an der Flügelnase nach unten. Jetzt müssen die Partikel, die knapp über dem Staupunkt auf die Nase treffen, den größten Teil der Krümmung der Nase überwinden, was mehr Beschleunigung erfordert. Dadurch entsteht eine Saugspitze in der Strömung um die Nase und eine hohe lokale Strömungsgeschwindigkeit auf der Oberseite.

Die Strömung über die Unterseite des Schaufelblatts wird jedoch in der Nähe des Staupunkts verzögert und erfährt nur eine geringe Beschleunigung, während sie zur Hinterkante strömt. Siehe unten für ein Diagramm der reibungsfreien Druckverteilung. Der Druckkoeffizient$c_p$korreliert mit der Geschwindigkeit, und$c_p = 0$bedeutet, dass die lokale Geschwindigkeit gleich der Fluggeschwindigkeit des Tragflügels ist. Negative Werte bezeichnen Sog und lokale Geschwindigkeiten über der Fluggeschwindigkeit, während positive Werte von$c_p$weisen auf langsamere Geschwindigkeiten hin. Beachten Sie, dass die y-Achse umgekehrt dargestellt ist, mit abnehmenden Werten nach oben.

Eine hohe lokale Geschwindigkeit verursacht auch eine hohe lokale Reibung. Außerdem benötigt der lange Druckanstieg auf der Oberseite bei hohem Anstellwinkel mehr Energie von der äußeren Strömung, um die Strömung aufrechtzuerhalten, sodass die Grenzschicht hier wächst und mehr Luft verlangsamt als bei niedrigem Anstellwinkel (wiederum extrem vereinfacht). Beide Effekte bedeuten, dass der Luftwiderstand bei höherem Anstellwinkel ansteigt.

Vergrößert man den Anstellwinkel weiter, kann die Strömung der oberen Kontur nicht mehr folgen und reißt ab. Dadurch stoppt der Druckanstieg an der Trennstelle, so dass stromabwärts der Druck abfällt. Da dieser Teil des Schaufelblatts leicht nach hinten zeigt, erhöht diese lokale Saugkrafterhöhung den Luftwiderstand. Dies beginnt vor dem Strömungsabriss und bei einem gut benommenen Flügel wird der Ablösepunkt zuerst in der Nähe der Hinterkante sein und sich mit zunehmendem Anstellwinkel stromaufwärts bewegen. Das bedeutet, dass der Luftwiderstand mit zunehmendem Anstellwinkel progressiv ansteigt. Da der größte Teil der Strömung noch anhaftet, wird der Auftrieb bis zum Strömungsabriss weiter zunehmen.

Optimaler Angriffswinkel

Das Schaufelblatt wird seinen optimalen Anstellwinkel haben$\alpha$mit dem besten Verhältnis von Auftrieb zu Widerstand$E_{opt}$wenn die Auftriebszunahmerate mit dem Anstellwinkel gleich der Widerstandszunahmerate multipliziert mit dem optimalen Verhältnis von Auftrieb zu Widerstand ist. Sobald die lokale Widerstandszunahme mit dem Anstellwinkel diesen Wert überschreitet, nimmt das Verhältnis von Auftrieb zu Widerstand ab. Vielleicht ist das mit einer Formel einfacher zu erklären:

Ich denke, Sie haben diese Frage im Zusammenhang mit der Flügelphysik und nicht mit der Tragflächenphysik gestellt. Hier kommt die Physik des induzierten Widerstands . Ich werde versuchen, die Erklärung zu vereinfachen.

Wie Sie vielleicht wissen, hat die Oberseite des Flügels einen geringeren Druck und der untere Teil des Flügels einen höheren Druck. Das ist es, was Auftrieb erzeugt.

Aber ... was ist mit der Flügelspitze? Beide Seiten haben Kontakt, also sollten sie den gleichen Druck haben?

Wir haben also eine untere Oberfläche des Flügels mit höherem Druck und die Spitze mit "normalem Druck", so dass die Luft auf der unteren Oberfläche natürlich versuchen wird, von der Wurzel zur Spitze zu strömen.

Auf der oberen Oberfläche ist die Situation umgekehrt, die Wurzel hat einen geringeren Druck und die Spitze einen höheren, sodass die Luft versuchen wird, von der Spitze zur Wurzel zu gelangen.

Da in der Spitze beide Seiten verbunden sind, versucht die Luft, von der unteren zur oberen Ebene zu entweichen (deshalb gibt es Flügelspitzen). Und deshalb entstehen die Spitzenwirbel mit den typischen Bildern

Ok, jetzt reden wir über Drag. Widerstand ist eigentlich "jede Energie, die wir verlieren, nur weil wir fliegen" (ok, ist eine Vereinfachung, erlaubt mir aber, den nächsten Schritt zu erklären). Das Flugzeug verliert also Energie und gibt sie an die Luft ab, um den Spitzenwirbel zu erzeugen. Je größer der Spitzenwirbel ist, desto mehr Energie geht verloren.

Also, wissen Sie, kommen Sie zu der Frage, warum die Effizienz (L / D) abnimmt? Wenn also der Anstellwinkel zunimmt, nimmt der Auftrieb linear zu (proportional zum Anstieg des Winkels), jedoch steigt die im Spitzenwirbel verlorene Energie (das ist eine Komponente des Luftwiderstands) quadratisch (proportional zum Quadrat des Winkels von Angriff), das bedeutet, dass der Luftwiderstand schneller zunimmt (aber auf einem niedrigeren Niveau beginnt) als der Auftrieb.

(Der Auftrieb wächst, aber der Luftwiderstand wächst proportional schneller)

Wir erreichen also einen Punkt, an dem die Erhöhung des Luftwiderstands dazu führt, dass die Effizienz abnimmt. Dieser Punkt kann mit der im vorherigen Beitrag bereitgestellten Formel berechnet werden.

Beachten Sie, dass die Physik des Flügels komplizierter ist, da auch andere Widerstandskomponenten mit dem Flügel interagieren. Es ist auch wahr, dass "unendliche" Flügel ein maximales L/D haben, aber es gibt einen anderen Mechanismus.

Bei höherem AOA wird die Strömung getrennt, folglich kommt es zu einem Strömungsabriss. Aufgrund des Strömungsabrisses verringerte sich der Auftrieb und der Luftwiderstand nahm zu, also verringerte sich L/D.