Wie entsteht dieser Wirbel in einem Düsentriebwerk?

Immer wenn in Luft Unterdruck herrscht, strömt die Luft entlang des Gradienten dieses Unterdrucks, also in Richtung der Quelle des Unterdrucks. (In erster Reihenfolge.)

Wenn eine Wand (oder der Boden) im Weg ist, strömt Luft an der Oberfläche dieses Hindernisses entlang und ändert irgendwann ihre Richtung, wie in dieser Skizze gezeigt:

Stellen Sie sich nun vor, die gesamte Luft um den Motor dreht sich aus irgendeinem Grund langsam um die Symmetrieachse in der Skizze.

Aus der Physik kennen Sie vielleicht die Erhaltung des Impulses oder in diesem Fall des Drehimpulses. Es besagt, dass das Produkt aus Abstand zur Rotationsachse mal Drehzahl dieser Rotation für ein bestimmtes Teilchen konstant ist. Wenn ein Partikel seinen Abstand zur Achse verringert, erhöht sich seine Drehzahl.
Das ist wie beim sich drehenden Schlittschuhläufer, der sich schneller dreht, wenn er seine Arme an seinen Körper (zur Achse) zieht.

Dieses Gesetz gilt auch für Luftpakete, die an die Achse gesaugt werden, obwohl innere Reibung die Luft etwas bremst.

Die schnell rotierende Luft in der Nähe der Achse trifft auf eine Zentrifugalkraft, dh die Luft wird von der Achse weggezogen und bildet einen Bereich mit starkem Unterdruck. In diesem Bereich dehnt sich die Luft aus und kühlt dadurch ab. Dies kann zu Kondensation von Wasser führen, wenn die Luftfeuchtigkeit hoch genug ist. Und das sieht man auch auf deinen Bildern.

Eine Frage bleibt noch offen: Ich schrieb, das passiert, wenn sich die umgebende Luft langsam dreht. Dies geschieht normalerweise, weil der Wind vom Flugzeug selbst abgelenkt wird, was bedeutet, dass er seine Richtung ändert, was eine Art Rotation ist.

Und natürlich kann ein starker, ungleichmäßiger Luftstrom von hinten, wie er von den Umkehrstrahlrudern erzeugt wird, mehr / stärker rotierende Luft verursachen, was zu stärkeren Scheitelpunkten führt. Kein Wunder also, wenn sie in diesem Fall auftauchen (oder besser: sichtbarer werden).

Hier ist ein schönes Bild einer Simulation, die auch zeigt, dass der Rumpf die Wand sein kann, an der der Wirbel entsteht.

Quelle: http://gallery.ensight.com

Es scheint, als käme der Wind aus der Kameraposition oder etwas mehr rechts davon. Es wird vom Rumpf abgelenkt und fließt daran entlang, was die geraden Linien erklärt, die von hinten kommen, und die gekrümmten, die von vorne links des Flugzeugs kommen. Wenn Sie sich den Luftstrom entlang / unter dem Rumpf vorstellen, verstehen Sie vielleicht auch, warum sich die beiden Scheitelpunkte in unterschiedlichen Richtungen drehen.

Durch den starken Unterdruck im Inneren des Wirbels kann dieser auch Staub oder sogar größere Gegenstände ansaugen, die den Motor beschädigen können. Für Flugzeuge, die auf unbefestigten Flugplätzen landen, sind möglicherweise unbefestigte Streifensätze erhältlich, die einen Wirbelableiter enthalten können:

Quelle: http://www.b737.org.uk

Dies ist eine Düse, die Zapfluft in den Bereich bläst, in dem Wirbel auftreten könnten, wodurch der Unterdruck und damit das Risiko, Gegenstände vom Boden aufzunehmen, verringert wird.

Anmerkungen:

Sie können etwas Ähnliches im Waschbecken Ihrer Badewanne sehen. Sobald es eine kleine Rotation gibt, wird es über dem Waschbecken verstärkt, die Zentrifugalkraft drückt das Wasser zur Seite und bildet diesen schnell rotierenden Wirbel.

Ein Tornado ist eine riesige Version eines Einlasswirbels. Die Luft bewegt sich über weite Strecken am Boden entlang, bis sie irgendwann nach oben wandert, und eine leichte Drehung führt dazu, dass dieser schnell rotierende Schlauch am Boden klebt und durch den starken Unterdruck im Inneren alles ansaugt.

Und etwas off-topic:

Manchmal können Sie Wirbel an den Flügelspitzen oder an den Rändern von eingeschalteten Landeklappen von Flugzeugen sehen, die durch feuchte Luft fliegen. Der Grund ist ähnlich: Die Luft wird durch den höheren Druck unter und den niedrigeren über den Flügeln in Rotation versetzt. (Aber das ist nicht genau das Gleiche wie Einlasswirbel.) Und manchmal sieht man auch Nebel, der sich nur wegen des Unterdrucks über dem Flügel bildet.
Auf diesem Bild sieht man beides und kann sich die Rotation für den zweiten Wirbel von rechts vorstellen.

Quelle: http://avioners.net

Die dargestellten Einlaufwirbel bilden sich bei Turbinentriebwerken und bei Propellern im bodennahen Betrieb mit wenig oder keinem Seitenwind. Unter normalen atmosphärischen Bedingungen ist der Wirbel unsichtbar; Bei ausreichender Feuchtigkeit tritt jedoch Kondensation im Inneren des Wirbelkerns auf (wenn die Temperatur unter die Taupunkttemperatur fällt) und der Wirbel wird unsichtbar.

Quelle: wpi.edu

Wenn der Motor gestartet wird, saugt der Motor Luft an, deren Querschnittsfläche größer ist als die Frontfläche des Motors. In Bodennähe schließt dies auch den Boden mit ein und induziert dort eine Strömung. Wenn sich Luft dem Motor nähert, wird sie beschleunigt und bildet bei bereits vorhandener Verwirbelung einen Einlasswirbel, der unter bestimmten Bedingungen sichtbar wird.

Bild aus der Patentanmeldung des aktiven Bodenwirbelunterdrückungssystems für ein Flugzeugtriebwerk EP 1413721 B1

Der Einlasswirbel bildet sich zwischen dem Motor (oder Propeller) und einem Staupunkt am Boden. Diese bildet sich meist nicht weit vom Boden entfernt, da die Wirbellinien nach den Helmholtz-Theoremen nicht in einer Flüssigkeit beginnen oder enden können .

Infolgedessen ist ein Ende des Wirbels am Motor (oder Propeller) befestigt und das andere Ende verlängert sich und haftet am Boden.

Zwei Mechanismen für diese Einlassbildung wurden vorgeschlagen,

• Umgebungsverwirbelung (stromaufwärts) wird durch den Motor verstärkt und gedehnt und in den Motor gezogen.
• Ohne stromaufwärtige Vorticity (dh in einer nichtrotierenden Strömung) bilden sich die Wirbel bei Vorhandensein von Seitenwind. Bei starkem Seitenwind wird der Einlasswirbel um den Einlass gebogen und bei sehr starkem Seitenwind bildet sich der Wirbel überhaupt nicht.

Die Untersuchung der Triebwerkseinlasswirbelbildung ist ein wichtiges Forschungsthema, da der Einlasswirbel eine Reihe von Problemen verursachen kann, wie z.

• Einnahme von FOD
• Kompressorstoß
• Bei Seitenwind kann der Einlasswirbel eine Ablösung im Bereich der Einlasslippe verursachen, was zu Leistungsverlusten führt.

Damit sich die Einlasswirbel bilden, sollte im Fernfeld normalerweise eine Art Rotationsströmung vorhanden sein, die normalerweise durch den Seitenwind gegeben ist, wenn er mit dem Rumpf interagiert. Wenn kein Seitenwind vorhanden ist, bilden sich dennoch Einlasswirbel, obwohl ein Paar gebildet wird, das sich in entgegengesetzte Richtungen dreht. Dies sind wahrscheinlich die Wirbel in der Simulation, die @sweber als Antwort zeigte.

Quelle: gallery.ensight.com

Ein Grund für das Vorhandensein von Wirbeln beim Einschalten von Umkehrstrahlrudern besteht darin, dass sie eine Luftströmung mit ausreichender Wirbelstärke in der Nähe verursachen.

Siehe An Experimental Study of the Formation and Unsteady Characteristics of Inlet Vortices von Wang und Gursul, zugänglich über enu.kz

Hinweis: Das Wirbelunterdrückungssystem in dem oben beschriebenen Patent injiziert Flüssigkeit in der Nähe des Einlasses, was die Strömungsstruktur eines Bodenwirbels stört und somit den Bodenwirbel abschwächt.

Bild aus der Patentanmeldung des aktiven Bodenwirbelunterdrückungssystems für ein Flugzeugtriebwerk EP 1413721 B1