Wie wirkt sich die Strömungsablösung auf Auftrieb, Druckverteilung und Widerstand aus?

Man muss zwischen Grenzschichtströmung und Außenströmung unterscheiden.

Trennung bedeutet, dass sich ein Luftpaket niedriger Energie mit dem Flügel bewegt (hier beträgt der Druck etwa -0,2, ausgedrückt als Druckkoeffizient ). Für die äußere Strömung ändert sich die Kontur des Strömungsprofils zu einer des ursprünglichen Strömungsprofils plus dem Paket der getrennten Strömung. Da sich dies auf der hinteren oberen Seite des Schaufelblatts befindet, "sieht" das Schaufelblatt dicker und länger aus und präsentiert der äußeren Strömung effektiv einen Körper mit weniger Wölbung und Anstellwinkel.

Dies wiederum verringert die Saugwirkung im Bereich der anhaftenden Strömung direkt hinter der Nase, wo normalerweise eine hohe Saugspitze sowohl Auftrieb als auch Nasenschub erzeugt. Mit einer reduzierten Saugspitze erzeugt das Schaufelblatt mehr Luftwiderstand und weniger Auftrieb.

Viskose und reibungsfreie Druckverteilung bei 12° AoA, berechnet mit XFOIL 5.4. Die gestrichelten Linien zeigen die reibungsfreie Druckverteilung ohne Strömungsablösung, während die durchgezogenen Linien die viskose Druckverteilung mit abgelöster Strömung über die letzten 20 % der Oberseite zeigen. Die Linien um die Schaufelblattkontur zeigen die Grenze zwischen der Grenzschicht und der Außenströmung. Die Trennung verdickt die Grenzschicht, wodurch die Form, um die die äußere Strömung strömt, wesentlich verändert wird.

Die veränderte Profilform bewirkt eine Verringerung des effektiven Anstellwinkels, sodass sowohl der Sog oben als auch der Druck unten geringer sind. Dies bedeutet, dass die Trennung einen Auftriebsverlust verursacht; Sobald die Trennung beginnt, wird die Steigung der Auftriebskurve flacher und kann sich umkehren (was auf einen vollständigen Strömungsabriss hinweist).

Bei der oben gezeigten Probe würde die Trennung nur auf den letzten 12 % der Oberseite dazu führen, dass der Druck geringer ist als im nichtviskosen Fall. Beachten Sie, dass der Druck auf den Boden auch geringer ist, sodass der Unterschied zwischen beiden (der den Auftrieb verursacht) durch die Trennung ziemlich unverändert bleibt. Ohne Ablösung sind die viskose und nichtviskose Druckverteilung ziemlich ähnlich, daher ist die nichtviskose Verteilung eine gültige Annäherung erster Ordnung der viskosen Druckverteilung ohne Ablösung.

Die reduzierte Saugspitze an der Nase und die höhere Saugkraft auf den letzten 12 % verursachen mehr Druckwiderstand. Beachten Sie, dass der Bereich um die Saugspitze nach vorne zeigt und der in der Nähe der Hinterkante etwas nach hinten zeigt (insbesondere bei hohem Anstellwinkel). Dies bedeutet, dass weniger Nasenschub das Schaufelblatt nach vorne zieht und auch weniger Druck durch den Druck in der Nähe der Hinterkante entsteht.

Um die Widerstandszunahme aufgrund der Trennung der vollständigen Flugzeugkonfiguration abzuschätzen, nehmen Sie eine Widerstandszunahme an, als ob der Auftrieb linear zunehmen würde, ohne dass eine Trennung stattfindet, einschließlich des induzierten Widerstands. Kombinieren Sie diesen Widerstand mit dem "echten" Auftrieb, einschließlich der Verluste durch Ablösung, und Sie erhalten ein überraschend realistisches Verhältnis von Auftrieb zu Widerstand des Flugzeugs zwischen Beginn der Ablösung und Strömungsabriss.

Nach meinem Verständnis bezieht sich der Tipp auf diese Tatsache, dass der größte Teil des Auftriebs von den Anfangsabschnitten der Vorderkante (z. B. den ersten 20 % der Sehne) erzeugt wird, wie in dieser Abbildung gezeigt.

Vergleichen Sie nun die grünen (vor der Trennung) und die rosa (nach der Trennung) Diagramme in der folgenden Abbildung.

Vor der Trennung ist der Druck in der Nähe der Vorderkante (erste 20 % der Sehne) sehr niedriger als der Umgebungsdruck (z. B. -5 bis -2), aber danach ändert sich der Druck linear zum Umgebungsdruck, so dass er es an der Hinterkante ist etwa 0.

Nach der Trennung ändert sich der Druck in den gesamten Nachläufen auf einen (konstanten) Wert, der etwas niedriger als der Umgebungsdruck ist (z. B. -1, wie für das rosa Diagramm gezeigt), da die Nachläufe unabhängig vom Hauptstrom, der über ihnen verläuft, eine kreisförmige Strömung sind .

Dies bedeutet einen höheren Druck in den ersten 20–30 % des Akkords, aber einen geringeren Druck auf den verbleibenden 70–80 % des Akkords (wenn man grüne mit rosa Linien vergleicht).

Der Sog des Flügels an seinem Vorderkantenbereich (20–30 % c) verringert sich also, was weniger Auftrieb bedeutet (da der größte Teil des Auftriebs von diesem Abschnitt erzeugt wird).

Aber die verbleibenden 70–80 % der Sehne haben einen niedrigeren Druck, was die Nettodruckdifferenz zwischen der Vorder- und der Rückseite des Strömungsprofils erhöht und so den Druckwiderstand erhöht.

Beachten Sie auch, dass diese 70-80% des Akkords in einem hohen Winkel (Anstellwinkel) platziert sind und daher einen großen Effekt haben, wenn wir seine horizontale Komponente (Drag) berechnen. Auf der anderen Seite ist dieser erste Abschnitt der Schaufelblattvorderkante ungefähr eine horizontale Oberfläche, sodass der Druckvektor am normalsten zum Luftstrom ist und einen größeren Einfluss auf den Auftrieb hat, wenn wir seine vertikale Komponente berechnen.

Aus "Fundamentals of Aerodynamics" von JDAnderson Jr. (Fünfte Ausgabe, Seite 384, 385). Ich kopiere einfach und füge ein, falls Sie das Buch nicht haben:

Hier ist das Schaufelblatt bei großem Anstellwinkel (also mit Strömungsablösung) mit der durch die durchgezogenen Pfeile symbolisierten realen Flächendruckverteilung dargestellt. Druck wirkt immer senkrecht zur Oberfläche. Daher sind die Pfeile alle lokal senkrecht zur Oberfläche. Die Länge der Pfeile ist repräsentativ für die Größe des Drucks. Eine durchgezogene Kurve wird durch die Basis der Pfeile gezogen, um eine „Hülle“ zu bilden, um die Druckverteilung leichter sichtbar zu machen. Wenn jedoch die Strömung nicht getrennt wäre, das heißt, wenn die Strömung angebracht wäre, dann wäre die Druckverteilung diejenige, die durch die gestrichelten Pfeile (und die gestrichelte Einhüllende) gezeigt ist.

Die durchgezogenen und gestrichelten Pfeile in Abbildung 4.47 sollten sorgfältig verglichen werden. Sie erläutern die beiden Hauptfolgen der abgelösten Strömung über dem Schaufelblatt. Die erste Folge ist ein Auftriebsverlust. Der aerodynamische Auftrieb (die in Abbildung 4.47 gezeigte vertikale Kraft) wird aus der Nettokomponente der Druckverteilung in der vertikalen Richtung in Abbildung 4.47 abgeleitet (unter der Annahme, dass der relative Wind der freien Strömung in dieser Abbildung horizontal ist). Ein hoher Auftrieb wird erreicht, wenn der Druck auf die untere Fläche groß und der Druck auf die obere Fläche gering ist. Die Trennung wirkt sich nicht auf die Druckverteilung an der unteren Oberfläche aus. Beim Vergleich der durchgezogenen und gestrichelten Pfeile auf der oberen Oberfläche unmittelbar stromabwärts der Vorderkante finden wir jedoch die durchgezogenen Pfeile, die einen höheren Druck anzeigen, wenn die Strömung getrennt wird. Dieser höhere Druck drückt nach unten, wodurch der Auftrieb reduziert wird. Diese Auftriebsminderung wird noch verstärkt durch den geometrischen Effekt, dass die Lage der Tragflächenoberseite nahe der Vorderkante in Abbildung 4.47 annähernd horizontal ist. Wenn die Strömung abreißt und einen höheren Druck auf diesen Teil der Schaufelblattoberfläche verursacht, ist die Richtung, in der der Druck wirkt, eng an der Vertikalen ausgerichtet, und daher wird der Auftrieb fast die volle Wirkung des erhöhten Drucks spüren. Die kombinierte Wirkung des erhöhten Drucks auf die obere Oberfläche nahe der Vorderkante und die Tatsache, dass dieser Teil der Oberfläche ungefähr horizontal ist, führt zu einem ziemlich dramatischen Auftriebsverlust, wenn sich die Strömung ablöst. Hinweis in Abbildung 4.

Konzentrieren wir uns nun auf den Teil der oberen Fläche in der Nähe der Hinterkante. Auf diesem Abschnitt der Schaufelblattoberfläche ist der Druck für die abgelöste Strömung nun kleiner als der Druck, der bei einer anhaftenden Strömung herrschen würde. Darüber hinaus ist die obere Fläche nahe der Hinterkante geometrisch stärker zur Horizontalen geneigt und weist tatsächlich etwas in die horizontale Richtung. Denken Sie daran, dass der Widerstand in Abbildung 4.47 in horizontaler Richtung erfolgt. Aufgrund der Neigung der oberen Fläche nahe der Hinterkante hat der auf diesen Abschnitt der Fläche ausgeübte Druck eine starke Komponente in horizontaler Richtung. Diese Komponente wirkt nach links und wirkt der horizontalen Kraftkomponente aufgrund des hohen Drucks entgegen, der auf die Nase des nach rechts drückenden Flügels wirkt. Der Nettodruckwiderstand auf das Strömungsprofil ist die Differenz zwischen der Kraft, die auf die Vorderseite ausgeübt wird, die nach rechts drückt, und der Kraft, die auf die Rückseite ausgeübt wird, die nach links drückt. Wenn die Strömung getrennt wird, ist der Druck auf den Rücken geringer als wenn die Strömung angeschlossen wäre. Daher gibt es für die abgelöste Strömung weniger Kraft auf der Rückseite, die nach links drückt, und der nach rechts wirkende Nettowiderstand wird daher erhöht. Beachten Sie in Abbildung 4.47, dass der Widerstand für eine abgelöste Strömung (der durchgezogene horizontale Vektor) größer ist als der Widerstand, der bestehen würde, wenn die Strömung angebracht wäre (der gestrichelte horizontale Vektor). Daher sind zwei Hauptfolgen der Strömung, die sich über einem Schaufelblatt ablöst, folgende: der Druck auf den Rücken ist geringer als bei angeschlossenem Flow. Daher gibt es für die abgelöste Strömung weniger Kraft auf der Rückseite, die nach links drückt, und der nach rechts wirkende Nettowiderstand wird daher erhöht. Beachten Sie in Abbildung 4.47, dass der Widerstand für eine abgelöste Strömung (der durchgezogene horizontale Vektor) größer ist als der Widerstand, der bestehen würde, wenn die Strömung angebracht wäre (der gestrichelte horizontale Vektor). Daher sind zwei Hauptfolgen der Strömung, die sich über einem Schaufelblatt ablöst, folgende: der Druck auf den Rücken ist geringer als bei angeschlossenem Flow. Daher gibt es für die abgelöste Strömung weniger Kraft auf der Rückseite, die nach links drückt, und der nach rechts wirkende Nettowiderstand wird daher erhöht. Beachten Sie in Abbildung 4.47, dass der Widerstand für eine abgelöste Strömung (der durchgezogene horizontale Vektor) größer ist als der Widerstand, der bestehen würde, wenn die Strömung angebracht wäre (der gestrichelte horizontale Vektor). Daher sind zwei Hauptfolgen der Strömung, die sich über einem Schaufelblatt ablöst, folgende: 47, dass der Luftwiderstand für eine abgelöste Strömung (der durchgezogene horizontale Vektor) größer ist als der Widerstand, der bestehen würde, wenn die Strömung angebracht wäre (der gestrichelte horizontale Vektor). Daher sind zwei Hauptfolgen der Strömung, die sich über einem Schaufelblatt ablöst, folgende: 47, dass der Luftwiderstand für eine abgelöste Strömung (der durchgezogene horizontale Vektor) größer ist als der Widerstand, der bestehen würde, wenn die Strömung angebracht wäre (der gestrichelte horizontale Vektor). Daher sind zwei Hauptfolgen der Strömung, die sich über einem Schaufelblatt ablöst, folgende:

1. Ein drastischer Auftriebsverlust (Abwürgen).

2. Ein starker Anstieg des Widerstands, verursacht durch Druckwiderstand aufgrund von Strömungsablösung.