Wird der 3D-Flügel bei gleicher AoA- und Luftstromgeschwindigkeit einen geringeren Luftwiderstand als 2D haben?

Wir messen Auftrieb und Luftwiderstand für 2D- und 3D-Flächengehäuse, wir verwenden für beide Gehäuse das gleiche Profil bei der gleichen AoA und der gleichen Luftstromgeschwindigkeit. Der Windkanal kann die Breite der Testabschnittswände ändern.

2D-Flügeltest:

Also legen wir zuerst das Tragflügelprofil in den Windkanal, sodass die Wände die Tragflügelspitzen (2D-Flügel) berühren, bei AoA = 15 Grad und Luftstromgeschwindigkeit = 20 m / s, und messen Auftrieb und Luftwiderstand.

3D-Flügeltest:

Jetzt erhöhen wir die Wandbreite, damit der Luftstrom im Testabschnitt wie ein 3D-Flügel "wirkt". Wir verwenden dieselbe AoA = 15 und dieselbe Luftstromgeschwindigkeit (20 m / s) über dem Tragflügel wie im 2D-Flügeltest. Hinweis: AoA = 15 ist der Winkel zwischen Sehnenlinie und freiem Luftstrom, nicht der Winkel zwischen Sehnenlinie und effektivem Luftstrom am 3D-Flügel

Die Frage ist, wie hoch ist der Luftwiderstand des 3D-Flügeltests im Vergleich zum 2D-Flügeltest, kleiner, gleich oder größer?

Meine Logik ist, dass die 3D-Luftstromleckage an den Spitzen den Gesamtdruckunterschied am Flügel verringert, sodass der Auftrieb kleiner als beim 2D-Flügeltest ist, aber der Luftwiderstand auch kleiner als beim 2D-Test, da Sie einen kleineren Druckunterschied über die Tragflächenoberfläche integrieren Sie erhalten auch einen geringeren Luftwiderstand.

( ABER wenn wir in beiden Tests den gleichen Auftrieb haben müssen , dann wird der 3D-Flügeltest einen größeren Luftwiderstand haben, weil wir dann die AoA am 3D-Flügel erhöhen müssen, um die durch Luftstromleckage verursachte Auftriebsreduzierung zu kompensieren, also haben wir jetzt, wenn wir die AoA erhöht haben, auch einen größeren ziehen..)

Der 3D-Flügel hat weniger Luftwiderstand, der Luftwiderstand nimmt ab, wenn die AoA abnimmt, der 3D-Flügel „fühlt“ sich effektiv an, sodass er mit einem kleineren „AoA“ fliegt als der 2D-Flügel.

2D vs. 3D

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Wie kann der blaue Auftrieb größer sein als der rote Auftrieb, Flügel bei AoA = 10 können keinen größeren Auftrieb erzeugen als Flügel bei AoA = 20?

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Antworten (2)

Zusammenfassung

Bei einer relativ hohen Reynolds-Zahl (> 1 Million) und in anhaftender Strömung, wo die Grenzschicht dünn ist, sollte ein 3D-Flügel immer einen größeren Gesamtwiderstand haben als ein 2D-Tragflügel (unendliche Spannweite) bei demselben Einfallswinkel des freien Stroms.

Warum?

Der von nachlaufenden Wirbeln erzeugte Abwind ist im Vergleich zur Luftgeschwindigkeit im freien Strom tatsächlich sehr gering; daher ist auch die Verringerung des effektiven AOA sehr gering.

Dadurch ergeben sich drei Effekte:

  1. Reduzierung des Auftriebs durch Kippen. Dieser Effekt ist außerordentlich klein, da der Kosinus eines kleinen Winkels im Wesentlichen Eins ist.

  2. Reduzierung von Auftrieb und Druckwiderstand aufgrund geringerer effektiver AOA. Die Verringerung des Auftriebs ist gering, aber definitiv nicht vernachlässigbar. Bei einer nicht abgelösten Umströmung eines Schaufelblattes ist der Gesamtdruckwiderstand zunächst sehr klein, sodass die Reduzierung noch geringer ausfällt.

  3. Entstehung von induziertem Widerstand durch Kippen des Auftriebsvektors. Dies ist der wichtigste, da der Sinus eines kleinen Winkels einen nicht vernachlässigbaren linearen Faktor erzeugt. Wenn beispielsweise der lokale Auftriebsbeiwert C l , ist 0,4, und wir haben dann eine effektive Abnahme der AOA von 1,0 Grad C l cos ⁡ 1.0 π 180 ≈ 0,9998 C l ≈ 0,4 , während der lokal induzierte Luftwiderstandsbeiwert C D ich , Ist C l Sünde ⁡ 1.0 π 180 ≈ 0,0175 C l = 0,007 .

Übrigens hilft die von Ihnen zitierte Widerstandspolare Ihrer Argumentation nicht, da sie für den gesamten Flügel gilt (bei einem Seitenverhältnis von 6). Was Sie wirklich zitieren möchten, ist der Luftwiderstand (von Airfoil Tools ):

Clark-Y-Tragfläche heben und ziehen

Wie Sie sehen können, ist der Formwiderstand (einschließlich Druckwiderstand) ein kleiner Teil des gesamten 3D-Widerstands bei einem Seitenverhältnis von 6 im linearen Auftriebsbereich. Der Druckwiderstandsanstieg ist sogar noch geringer.

Nachtrag:

Aus Ihren Kommentaren geht hervor, dass Sie den Punkt über den induzierten Widerstand völlig verfehlt haben. Der induzierte Widerstand fehlt in 2D vollständig. Wenn Sie davon ausgehen, dass die Strömung reibungsfrei und ohne lokale Überschallströmung ist, haben Sie an jedem 2D-Profil keinen Luftwiderstand. Dies wird als Paradoxon von d'Alembert bezeichnet .

Wie oben erwähnt, tritt induzierter Widerstand in 3D-Reibungsfreiströmung aufgrund der endlichen Spannweite und des induzierten Abwinds auf.

Kommentare sind nicht für längere Diskussionen gedacht; Diese Konversation wurde in den Chat verschoben .
@JZYL Dies gilt nur, wenn für denselben Aufzug verglichen wird, nicht für denselben AoA. JanHudec erklärt das hier: Aviation.stackexchange.com/questions/80839/…
@Сократ, nein diese Antwort ist absolut richtig. Dies vergleicht ein 2-D-Profil mit einem 3-D-Profil, aber in der verlinkten Antwort vergleichen wir dasselbe 3-D-Profil mit und ohne Endplatten, was einen großen Unterschied macht.
@JanHudec Was ist der Unterschied beim Anbringen von Wand-zu-Wand-3D-Tragflächenprofilen im Windkanal oder 3D-Tragflächenprofilen im Dutec-Lüfter? In beiden Fällen erhalten Sie ein 3D-Tragflächenprofil mit unendlich großen Endplatten. Was ist die Definition von 2D-Tragflächenprofil? Nur weil er das Strömungsprofil von Wand zu Wand in den Windkanal gesteckt hat, bedeutet das nicht, dass er ein "theoretisches" 2D-Tragflächenprofil mit endlichem Auftrieb und unendlicher Spannweite = Null induziert hat ziehen? "theoretisches" 2D-Profil kann im wirklichen Leben nicht simuliert werden
@Сократ Ein "2D" -Tragflächenprofil bedeutet unendlich und aus ziemlich seltsamen Gründen kann es sogar unendlichen Auftrieb mit null (nicht einmal nur endlichem) induziertem Widerstand erzeugen. Aber es ist ein theoretisches Konstrukt, und diese Eigenschaft kommt aus den Grenzen für eine zunehmende Spannweite. Endplatten, egal wie groß, bewirken nicht , dass sich der Flügel so verhält, als wäre er unendlich, sondern nur so, als wäre er etwas länger.
@JanHudec Aus der ursprünglichen Beschreibung des 2D-Tragflächenprofils: put airfoil in wind tunnel so walls touch arifoil tips(2D wing),at AoA=15degrees and airflow speed=20m/s and meassure lift and drag..Hat sein Wand-zu-Wand-Tragflächenprofil keinen induzierten Luftwiderstand, wie ein 2D-Tragflächenprofil?
@Сократ, hm, es sei denn, es ist auch sehr nahe am Boden (im Bodeneffekt), sollte es einen induzierten Widerstand ungleich Null haben. Die Luft wird immer noch nach unten beschleunigt, daher erfordert die Erhaltung des Impulses den induzierten Widerstand, und die Oberfläche ist immer noch nach hinten geneigt, ebenso wie die Druckkraft.
@JanHudec no this answer is absolutely correct.Hier ist eine Erklärung, warum ich denke, dass diese Antwort nicht richtig ist. Aviation.stackexchange.com/questions/80919/…
@Сократ Die Frage ist 2D vs. 3D. Es geht nicht (oder wird nicht so wahrgenommen) um irgendetwas von Wand zu Wand. Was Sie aufgelegt haben, ist nur ein Ablenkungsmanöver.
@JZYL-Flügelvektor ist nach hinten geneigt, aber gleichzeitig ist die Größe geringer. Wie können Sie also beweisen, dass dies zu einem erhöhten Luftwiderstand führt, wenn Sie nicht wissen, wie viel Größe abnimmt? Peter sagt auch, dass dies nicht bewiesen werden kann.
@Сократ Dann lesen Sie die Antwort. #2 und #3 haben sich damit befasst.
@JZYL in meinem Beispiel, wenn die Reduzierung der aerodynamischen Kraft am Flügel nur 7% (65 N) beträgt, hat der Flügel einen geringeren Luftwiderstand. Die induzierte Alfa-Anordnung ist normalerweise sehr gering, maximal 1 Grad, sodass die Vektorneigung nach hinten gering ist
Es sieht für mich so aus, als würden Sie davon ausgehen, dass sich der Flügel in einem Windkanal befindet (Luftstrom vertikal eingeschränkt). Es sieht für mich so aus, als ob dies eine Quelle für eine Menge dieser Verwirrung sein könnte.

Der 3D-Flügel hat mehr Luftwiderstand, da er berücksichtigt, dass sich an der Flügelspitze Wirbel bilden, die mehr Luftwiderstand erzeugen. Aber im Falle eines 2D-Flügels wird angenommen, dass der Flügel ein unendlicher Flügel ist. Aerodynamisch verringert die Wirkung von nachlaufenden Wirbeln die Neigung der Kurve des Auftriebskoeffizienten gegenüber dem Anstellwinkel. Infolgedessen ist der Auftriebskoeffizient beim 2D-Flügel höher als beim 3D-Flügel bei gleicher AoA.Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Wird der 3D-Flügel bei gleicher AoA- und Luftstromgeschwindigkeit einen geringeren Luftwiderstand als 2D haben?
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