Aerodynamischer Vorteil von stumpfen Nasen und WARUM (Subsonic)

Nasenform an Rümpfen

Rumpfnasen von Verkehrsflugzeugen halten die Antenne des Wetterradars, und eine stumpfere Nase wird den elektromagnetischen Wellen am wenigsten Material in den Weg legen. Auf einem dreidimensionalen Körper spielt die Form der Nase eine untergeordnete Rolle und wird manchmal verwendet, um ein Markenimage auszudrücken . Bei Unterschallströmung müssen scharfe Konturänderungen vermieden werden: Hier müsste die Luft abrupt ihre Richtung ändern, was starke Druckgradienten erfordert. Daher sollte sich die Krümmung entlang jedem Strömungspfad allmählich ändern. Dies begünstigt eine elliptische Körperform. Wenn Sie auch in der zweiten Ableitung keinen Sprung haben wollen, verwenden Sie eine lemniskatische Funktion.

Eine halbkugelförmige Nase hätte eine konstante Krümmung, gefolgt von keiner Krümmung entlang des zylindrischen Abschnitts des Rumpfs. Die plötzliche Änderung der Krümmung am Übergang zwischen der abgerundeten Nase und dem Zylinder würde einen plötzlichen Drucksprung erfordern, der mehr Widerstand verursacht, als die allmähliche Verringerung der Krümmung (die einen allmählichen Druckanstieg verursacht) einer elliptischen Nase.

Bearbeiten 2: Warum hat Nr. 2 im Folgenden weniger Luftwiderstand als Nr. 5?

Weil die scharfe Ecke an der Basis des Kegels in Nr. 5 eine Saugspitze verursacht, die wiederum einen Sprung in der Grenzschichtdicke verursacht. Die halbkugelförmige Nase von Nr. 2 ist besser, aber am besten ist die elliptische Nase von Nr. 1.

Eine stumpfere Ellipse hat eine geringere Gesamtfläche, aber eine steilere Druckänderung - hier ist wie so oft das Optimum ein Kompromiss, der die Mach- und Reynolds-Zahlen sowie strukturelle Überlegungen berücksichtigen muss. Da das Optimum flach ist, bleibt viel Raum für individuelle Lösungen.

Was wäre, wenn Nr. 5 einen glatteren „Grat“ (Übergang von Kegel zu Zylinder) hätte, aber immer noch spitz wäre? Sagen Sie, wenn Nr. 1 in einem Punkt endete?

Die spitze Spitze würde den Staupunkt nicht an diesem Punkt "fixieren" - vielmehr würde sie sich immer noch mit dem Anstellwinkel bewegen, aber der Teil der Strömung, der diese Spitze passiert, würde eine starke Saugspitze aufweisen und die Kontur dadurch "glätten". durch eine örtliche Trennung. Dies würde die Grenzschicht stärker belasten und ihre Dicke stromabwärts erhöhen. Jede Hoffnung auf eine laminare Strömung über diese Nase an einer solchen Spitze vorbei würde dadurch natürlich zunichte gemacht.

Der glattere Grat wäre besser, also würde die elliptische Nase mit einer spitzen Spitze Dinge wie Nr. 4 gegenüber Nr. 5 verbessern. Bei Nr. 4 wird der scharfe Grat höchstwahrscheinlich eine Trennung auf dem Grat erzeugen, die den ganzen Körper bildet sehen größer aus für die entgegenkommende Strömung. Die Halbierung des Luftwiderstandsbeiwerts in Nr. 4 zeigt mir, dass die Trennung viel kleiner ist. Beachten Sie, dass dies alles nur bei Unterschallströmung gilt! In Überschallströmung würde Nr. 4 am besten aussehen.

Nasenform auf Flügeln

Auf Flügeln ist die Nasenform jedoch äußerst wichtig - sehen Sie sich die Sprünge in der Leistung an, die manchmal durch die Optimierung der Nasenform erreicht wurden . Um der Flügelnasenform auf den Grund zu gehen, müssen wir über Grenzschichten, Mach-Effekte und vieles mehr sprechen, seien Sie also auf eine lange Antwort gefasst.

Segelflugprofile können es sich leisten, kleine Nasenradien zu verwenden, da sie mit niedrigen Machzahlen fliegen. Verkehrsflugzeuge müssen andererseits die lokalen Machzahlen niedrig halten, was einen größeren Nasenradius begünstigt. Wenn Sie mit dieser Antwort zufrieden sind, hören Sie jetzt besser auf zu lesen.

Auf dem Symposium Transsonicum der International Union of Theoretical and Applied Mechanics (IUTAM) im Jahr 1964 präsentierte EV Laitone so etwas wie eine magische Zahl für transsonische Strömungen:

Unten sehen Sie die Druckverteilung auf einem Flügelprofil in der Nähe des maximalen Auftriebs (Bildquelle ) . Die Besonderheiten des Tragflügels spielen keine große Rolle; Wichtig ist die Saugspitze an der Nase, die durch einen großen Anstellwinkel und eine Klappe mit einem belüfteten Spalt zwischen Flügel und Klappe ermöglicht wird.

In einem solchen Fall erzeugt ein kleiner Nasenradius eine sehr starke, aber schmale Saugspitze, weil ein sehr starkes Druckgefälle benötigt wird, um die Strömung um die enge Nasenkontur zu zwingen. Wenn die Nase stumpfer ist, kann sich die Saugspitze in Längsrichtung ausbreiten und wird weniger spitz, einfach weil die Bahnänderung der Strömung um die Nase allmählicher wird. Da eine direkte Beziehung zwischen lokalem Sog und lokaler Machzahl besteht, müssen diese Sogspitzen ausgebreitet und flacher sein, um höhere Anstellwinkel zu ermöglichen. Das ist der Hauptgrund, warum überkritische Tragflächen stumpfere Nasen haben – sie tolerieren höhere Auftriebskoeffizienten, die durch starke Klappen ermöglicht werden.

Anfängliche Segelflugprofile verwendeten eher stumpfe Nasen und eine hohe Wölbung. Mit der Verbundstofftechnologie konnte die Glätte der Flügel verbessert werden, und frühe numerische Codes halfen dabei, die Druckverteilung so zu formen, dass ein ziemlich großer Anstellwinkelbereich abgedeckt werden kann, ohne scharfe Saugspitzen auf beiden Oberflächen zu verursachen. Der Eppler-Code von Richard Epplerwar das erste derartige Werkzeug, und durch das Vorschreiben von Druckniveaus über Abschnitten des Strömungsprofils bei bestimmten Anstellwinkeln machte es das Entwerfen von laminaren Strömungsprofilen auf den Niedrigleistungscomputern dieser Zeit einfach. Das Ergebnis sind Konturen mit kleinem Nasenradius, die bei Überschreiten des angegebenen Anstellwinkelbereichs eine scharfe Saugspitze erzeugen würden. Durch Unterdrückung der Saugspitze über diesen spezifizierten Anstellwinkelbereich könnte die laminare Schaufel auf eine Weise maximiert werden, die eine stumpfere Nase nicht zulassen würde.

Nun zu dem versprochenen Ausflug in die Grenzschichttheorie: Eine laminare Grenzschicht wird durch einen positiven Geschwindigkeitsgradienten (beschleunigte Strömung) stabilisiert, aber ein negativer Geschwindigkeitsgradient wird den Übergang zu einer turbulenten Strömung ziemlich schnell auslösen, insbesondere bei höheren Reynolds-Zahlen. Die Rückseite einer Saugspitze hat einen solchen negativen Gradienten; Daher müssen Saugspitzen vermieden werden, um die Strömung über einen Großteil der Flügelsehne von Segelflugzeugen laminar zu halten. Darüber hinaus ermöglicht die Verwendung von Wölbungsklappen , die laminare Schaufel auf der Auftriebskoeffizientenskala nach oben und unten zu verschieben, sodass die Kombination aus einem kleinen Nasenradius und einer Wölbungsklappe eine laminare Strömung über einen großen Auftriebskoeffizientenbereich ermöglicht.

Verkehrsflugzeuge können das nicht: Die Reynolds-Zahl an ihren Flügeln ist so groß, dass unabhängig von der lokalen Druckverteilung ein turbulenter Übergang in der Nähe der Nase stattfindet. Sie machen sich daher keine Sorgen um Laminar Buckets und tolerieren gerne die Saugspitzen, die mit höheren Anstellwinkeln einhergehen. Im Reiseflug, wenn die Steuerung der Druckverteilung entscheidend ist, um Stöße zu reduzieren, ist der Anstellwinkelbereich extrem eng, sodass die stumpfe Nase keinen Nachteil bringt. Diese transsonische Druckverteilung erfordert jedoch eine sehr geringe Wölbung im vorderen Teil des Tragflügels, sodass sie eine stumpfe Nase benötigen, um hohe Anstellwinkel während des Anflugs und der Landung zu tolerieren. Der größere Nasenradius hilft auch, Vorderkantenvorrichtungen wie Vorflügel und Krüger-Klappen zu integrieren, was ein weiterer Vorteil bei niedriger Geschwindigkeit ist.

Stumpfe Nasen eignen sich am besten für Unterschallgeschwindigkeiten, da sie die beste Form bieten, damit die Luft aus dem Weg kommt. Von dieser Seite :

Die Schallgeschwindigkeit ist eigentlich die Übertragungsgeschwindigkeit einer kleinen Störung durch ein Medium.

Das Bild zeigt einen einzelnen Punkt, der sich mit einer konstanten Geschwindigkeit V bewegt und kleine Störungen aussendet :). Die Luft vor dem Wanderpunkt wird vorgewarnt und ohne Verluste isentrop aus dem Weg geschoben. Dieser Teil des subsonischen Luftstroms ist der Schlüssel zur optimalen Form: ein parabolischer. Die Spitze schiebt die Luft kugelförmig aus dem Weg, während sie sich mit konstanter Geschwindigkeit fortbewegt.

Wenn unsere Wanderstörung kein unendlich kleiner Punkt, sondern ein tatsächlicher 3D-Körper ist, ist ihre optimale Form die gleiche: parabolisch, dann abgerundet, wo der zylindrische Körper beginnt, eine elliptische Form zu erzeugen. Bei dieser Form kann die Luft vor dem Körper am geordnetsten aus dem Weg geräumt werden.

Die Stromlinien im obigen Bild sind gleich weit entfernt. Die Luft bewegt sich aus dem Weg und erzeugt einen niedrigeren statischen Druck, der die Nase in den Luftstrom saugt. Bei einer halbkugelförmigen Form liegen die Stromlinien an einigen Stellen näher beieinander, wodurch ein Druckanstieg entsteht, der den anfänglich niedrigeren Druck zunichte macht.

Beachten Sie, dass in Ihrer Abbildung 20 die erste Form elliptisch ist und tatsächlich ein Negativ hat$C_D$ Nur für die Nase : Sie saugt sich in den Luftstrom ein. Keine der anderen Formen tut dies, nicht einmal die halbkugelförmige Form 2. Bei einer inkompressiblen Unterschallströmung ist es das, was vor der Nase passiert, was einen geringeren Luftwiderstand erzeugt, nicht an oder hinter der Nase.

Das gilt alles, wenn sich die Form mit einer bestimmten Geschwindigkeit und einem Anstellwinkel von null bewegt.

• Bei jeder anderen Geschwindigkeit ist die optimale Parabelform anders, jedoch immer noch eine Parabel für einen unendlich breiten Körper oder eine Ellipse für einen Körper mit endlichen Abmessungen.
• Bei jedem anderen AoA ist es sehr schwierig, eine 3D-elliptische Körperform zu erzeugen, und es wäre bei jedem AoA anders. Aber eine kugelförmige kommt nah heran, wie Ihre Abbildung 20 zeigt - das erste Stück einer Parabel ist ohnehin nah an einer Kugel. Je größer der Kugelradius, desto näher am Optimum. Und eine Kugel ist eine Kugel in jedem Winkel.

Bearbeiten Wie kann sich die Form davor in die Luft saugen?

Die Druckstörungen warnen die Luft, aus dem Weg zu gehen. Bernouilli gilt für niedrige Unterschallströmung:

oder: Gesamtdruck = statischer Druck plus dynamischer Druck. Weit vor dem sich bewegenden Körper,$p_t$ist der Gesamtdruck ist der statische Umgebungsdruck. Sobald sich die Luft zu bewegen beginnt, steigt der örtliche dynamische Druck und der örtliche statische Druck sinkt.

Bearbeiten2

Ja, elliptisch für endliche Körpermaße.

Aus den Informationen der erfahrenen Autoren können wir entnehmen, dass die Stumpfheit eines Flugzeugnasendesigns in zwei Überlegungen fallen kann. Erstens begünstigen die Vermeidung von Wellenwiderstand und Luftgeschwindigkeiten über einer Zahl, bei der sie signifikant ansteigt, eine stumpfere Nase im Unterschall. Bei niedrigeren Geschwindigkeiten erscheint die schärfere Nase, wie sie bei Segelflugzeugen zu sehen ist, günstiger.

Diese optimalen Nasenformen können als elliptisch und parabolisch beschrieben werden.

Elliptisches Volumen = pi x Durchmesser zum Quadrat x Höhe/6, parabolisches Volumen = pi x Durchmesser zum Quadrat x Höhe/8

Bei sehr niedrigen Machzahlen wird die Luft einfach mit unbedeutender Kompression vor dem Flugzeug geteilt. Hier funktioniert der scharf zugespitzte elliptische Kegel am besten.

Bei höheren Unterschall-Mach-Zahlen (kleiner als 1) beginnt die Luft vor dem Flugzeug zu komprimieren. Hier ist der Parabolkegel besser. Das Entfernen der scharfen Spitze hält die Oberfläche der Nase von der schleppenderen Druckluft-"Welle" fern und in einer "Saugzone" mit niedrigerem Druck direkt dahinter. Das Flugzeug muss immer noch die Luft aus dem Weg schieben, vermeidet aber mit einer stumpferen Nase einen gewissen Luftwiderstand. Dies ist das hohe Unterschalldesign von Passagierflugzeugen und auch von "Wulstbogen" -Schiffen.

Bei diesen Konstruktionen bietet jedoch, wie bei Geschossen, eine konstante Krümmung ohne "scharfe" Kanten, wie in Abbildung 20 oben zu sehen, erhebliche Vorteile bei der Verringerung des Luftwiderstands.

"Bluntness" ist einfach das Management von Effekten mit höherer Geschwindigkeit und / oder größeren Änderungen des Anstellwinkels.

Nun, da wir die "Flüssigkeit" mit unserem "Bogen" beiseite gespalten haben, wie schaffen wir ihre Rückkehr (Drag Recovery)? Auch hier kann die Antwort auch in der konstanten Kurve liegen. Dies bleibt einer anderen Diskussion überlassen 😊.