Warum erzeugen Wand-zu-Wand-Flügel in Windkanälen keinen (oder einen verschwindend geringen) Abwind?

Wer sagt, dass die Strömungen nur an der Hinterkante interagieren?

Die Strömung auf jeder Seite eines Flügels erzeugt (und ist die Erzeugung) ein Druckfeld, das beeinflusst, was auf der gegenüberliegenden Seite in Unterschallströmung vor sich geht. Nur in der Überschallströmung ist eine solche Wechselwirkung unmöglich, da sich kleine Druckänderungen nur mit Schallgeschwindigkeit bewegen.

Zunächst zum Thema Fließdrehen. Die Hälfte davon ist bereits am Viertelpunkt der Flügelsehne passiert, verteilt sich also über den ganzen Flügel. An der Hinterkante ist die lokale Strömungsrichtung parallel zur Hinterkantenneigung, wenn die Strömung nicht bereits abgelöst wird. Hinter der Hinterkante stellt sich die Strömung wieder auf den Abwindwinkel ein, der normalerweise hinter dem Mittelflügel am größten ist. Bei einer elliptischen Auftriebsverteilung ist der Abwindwinkel über die Spannweite konstant , aber in der Nähe der Flügelspitzen fast nie am stärksten. Die Experten der NASA wissen das sicherlich auch, aber ich frage mich, wie oft sie von den Marketingleuten konsultiert werden, die diese Webseiten schreiben.

Neben dem Spitzenwirbel: Er verursacht keinen induzierten Widerstand und ist nur eine Nebenwirkung des Downwinds. Bitte lesen Sie diese Antwort und versuchen Sie, allen Links zu folgen. Es gibt keinen einzigen Wirbel, sondern ein Wirbelblatt, das den Flügel verlässt, und um besser zu verstehen, was passiert, ist es am besten, das alles zu vergessen.

Nun zu den Bedingungen im Windkanal. Die Strömung ist dort praktisch wie beim Bodeneffekt , es entsteht also kein vollflächiger Downwash wie bei der freien Strömung. Um zu realistischen Ergebnissen zu kommen, verwenden Windkanäle Korrekturfaktoren , um die Ergebnisse ihrer Messungen denen in freier Strömung nahe zu bringen. Wenn es zwischen der Hinterkante und der Windkanalwand einen Spalt gibt (und den gibt es sicherlich), gibt es auch etwas Abwind, aber weniger als bei freier Strömung. Wie in dieser Antwort erläutert, ist der Teil des Nachlaufs, der am Flügel vorbei fließt, kleiner als die Flügelspannweite, sodass sich auch in einem Windkanal eine verkrüppelte Version des Nachlaufs hinter einem Flügel bildet, wobei sich Luft in der Nähe der Seitenwände nach oben und Luft in der Mitte bewegt Nieder. Normalerweise gleicht sich dies alles aus, wenn die Luft durch das nächste Gitter strömt, das installiert wird, um Turbulenzen zu entfernen oder den Tunnel um die nächste Ecke fließen zu lassen.

Die obigen Erklärungen beschreiben Downwind als den (fast einzigen) Hauptgrund für induzierten Widerstand und Spitzenwirbel als Folge von Downwind.

Ja, Spitzenwirbel sind tatsächlich eine Folge von Abwind. Sie verlinken bereits auf zwei gute Erklärungen dafür, also muss ich über diese Antworten hinausgehen. Die beiden Wirbelkerne, die durch das Aufrollen des hinter dem Flügel nachlaufenden Wirbelblatts entstehen, sind nicht wirklich die Spitzenwirbel, die Sie in feuchter Luft sehen könnten, wie auf dem Bild eines A340 unten ( Bildquelle ).

Die Kondensation an der Flügelspitze stammt von dem hohen Sog, der durch die Strömung verursacht wird, die lokal den kleinen Radius der Winglet-Spitze überwindet. Dies ist der Spitzenwirbel . Das viel stärkere Wirbelpaar, das sich hinter dem Flügel bildet, bezieht sich auf die NASA-Seite, aber das passiert nur, wenn die Luft schon lange am Flügel vorbei ist. Das ist der Wirbelschleppe . In den Kernen des Wirbelschlepppaares ist der Druck am geringsten, weil der Radius der Schraubenbewegung am kleinsten ist – die Wirbelstärke ist für jeden Punkt in einer Ebene senkrecht zur Bewegungsrichtung des Flügels gleich. Daher ist die NASA-Seite zumindest irreführend, wenn nicht gar falsch.

Im Windkanal passiert dasselbe (abzüglich des Spitzenwirbels), aber von den Windkanalwänden eingeschlossen. Sie verlangsamen den Nachlaufwirbel durch Wandreibung und verhindern, dass der Nachlauf weiter nach unten geht, so wie es der Boden beim Bodeneffekt tut. Aber es gibt immer noch ein Wirbelpaar in der Nähe der unteren Windkanalwand (oder der Oberseite, wenn der Flügelabschnitt verkehrt herum montiert ist).

Ein Strömungsprofil in einem Windkanal kann aufgrund der Bodenwand des Windkanals keine Netto-Abwärtsbewegung der Luft verursachen. Wenn sich das Schaufelblatt nur teilweise über den Tunnel erstreckt, kann es hinter dem Schaufelblatt zu einem Abwind kommen, der durch einen Aufwärtswind außerhalb seiner Spitzen ausgeglichen wird, sodass die Gesamtmasse mit einem Wirbel darin "gerade" entlang des Tunnels verläuft. Wenn sich das Tragflächenprofil jedoch über die gesamte Strecke erstreckt, kann dies nicht passieren. Stattdessen wird der Luftdruck unter dem Schaufelblatt höher als der Luftdruck darüber. Der höhere Luftdruck unten und der niedrigere Luftdruck oben kompensieren die "Versuche" des Strömungsprofils, einen Abwind zu erzeugen. Es gibt keinen Abwind, aber es GIBT eine Druckdifferenz (unter der Annahme eines anhebenden Strömungsprofils) und eine Auftriebskraft auf das Strömungsprofil.

Da es keinen Downwash gibt, ist der induzierte Widerstand sehr gering. Die Leute neigen dazu zu denken, dass der induzierte Widerstand etwas mit den Spitzenwirbeln zu tun hat, aber es gibt einen nützlicheren Weg, darüber nachzudenken. Wenn Luft unter normalen Bedingungen an einem Flügel vorbeiströmt, wird sie in einem bestimmten Winkel nach unten abgelenkt$a$. Die Ablenkung nach unten verleiht der Luft eine vertikale Geschwindigkeitskomponente von gleich$v \cdot sin(a)$, und die Reaktion auf diese Impulsänderung erzeugt Auftrieb. Die Ablenkung bedeutet aber auch, dass die horizontale Geschwindigkeitskomponente der Luft etwas reduziert wird$v$zu$v \cdot cos(a)$. Diese leichte Verringerung des horizontalen Impulses erzeugt einen induzierten Widerstand - einen Widerstand, der durch die Erzeugung von Auftrieb induziert wird.

Im Fall des vollständig überspannten Windkanals (oder weitgehend des Bodeneffekts) verhindern die oberen und unteren Wände den Abwind, indem sie eine Druckdifferenz erzwingen, die ihn stoppt. Ohne Änderung der Strömungsrichtung gibt es keinen Verlust an horizontalem Impuls in der Luftströmung und somit einen sehr geringen induzierten Widerstand. Es gibt immer noch etwas, aufgrund der Arbeit, die an der Luft geleistet wird, indem sie unter dem Flügel komprimiert und über dem Flügel expandiert wird, aber mit einer adiabatischen Annahme (nahezu wahr) ist der Effekt sehr gering.

Jedes auftriebserzeugende Objekt erzeugt immer Abwind. Um einen Auftrieb zu erreichen, richtet ein Objekt grundsätzlich den Luftstrom nach unten. Es gibt also keinen Auftrieb ohne Abwind. Spitzenwirbel können auch nach unten gerichtet sein und gewissermaßen einen Abwind haben. Das bedeutet jedoch nicht, dass es ohne Flügelspitzenwirbel keinen Abwind geben könnte.

Die NASA-Seite über Flügelspitzenwirbel versucht nicht, das „Wall-to-Wall“-Modell zu erklären; Sie haben viele andere Seiten, die das tun. (Das Modell auf diesen anderen Seiten wird normalerweise als Modell mit "unendlicher Spannweite" bezeichnet, aber der Effekt ist derselbe: Es gibt keine Möglichkeit, von der Unterseite des Flügels nach oben zu gelangen, indem man um die Flügelspitze herumgeht.)

Ich denke an Flügelspitzenwirbel als zusätzlichen Effekt, der auftritt, wenn Sie die Wand entfernen (oder wenn Sie die Flügelspannweite von unendlich auf endlich reduzieren). Der Wortlaut der Seite könnte Sie glauben lassen, dass dieser Effekt das einzige ist, was die Leute jemals meinen, wenn sie "Downwash" sagen. Aber die Leute verwenden den Begriff Downwash auch, um einen viel größeren als unendlich kleinen Effekt zu beschreiben, der im Modell mit unendlicher Spannweite auftritt. Siehe zum Beispiel die Zahlen in dieser Antwort oder das in dieser Antwort zitierte Kapitel, in dem es heißt:

In der Nähe des Flügels führt die durch den Auftrieb verursachte gebundene Zirkulation zu einem Aufwind vor dem Flügel und einem Abwind hinter dem Flügel, ähnlich der Strömung, die durch einen zweidimensionalen Auftriebsflügel mit unendlicher Spannweite erzeugt wird.

Der mit den Flügelspitzenwirbeln verbundene Abwind wird als zusätzliche Komponente der Bewegung der Luft in der Nähe des Flügels (einschließlich Luft vor und hinter dem Flügel) erwähnt, die sich von dem in der oben zitierten Passage erwähnten Abwind unterscheidet.

In dem Maße, in dem die NASA-Seite es Ihnen ermöglichen könnte, Ideen über das Wort "Downwash" zu haben, die der Art und Weise widersprechen, wie der Begriff anderswo verwendet wird, dann ja, ich nehme an, die Seite ist falsch. Ich denke, diese NASA-Seite , die, soweit ich das beurteilen kann, Zirkulationsmuster und Wirbel nach dem Modell der unendlichen Spannweite beschreibt, macht einen Fehler, indem sie das Wort "Downwash" (in diesem Zusammenhang verwendet) mit der Seite über Flügelspitzenwirbel verknüpft. Mir scheint, das würde eher den falschen Eindruck erwecken, dass die Strömungsumlenkung nur durch die Flügelspitzenwirbel verursacht wird.

Eines der ersten Dinge, die über Wirbel entdeckt wurden, noch bevor der induzierte Widerstand verstanden wurde, war, dass ein Wirbel nicht in einer Flüssigkeit enden kann (z. B. einer Flügelspitze), aber er kann an einer festen Oberfläche enden (z Rühren). In einem Windkanal endet der gebundene Wirbel entlang des Tragflügels, der ein fester Bestandteil des Auftriebs ist, einfach an den Windkanalwänden. Da der gebundene Wirbel an den Windkanalwänden endet, gibt es keine Schleppwirbel. Und weil es keine nachlaufenden Wirbel gibt, gibt es auch keinen Abwind.