Вихри крыла

Эта статья требует дополнительных ссылок для проверки . Пожалуйста, помогите улучшить эту статью , добавив цитаты из надежных источников . Материал, не полученный от источника, может быть оспорен и удален.
Найти источники: "Wingtip vortices" - новости · газеты · книги · ученый · JSTOR ( июль 2009 г. ) ( Узнайте, как и когда удалить это сообщение-шаблон )

Воспроизвести медиа

Вихри, вызванные подъемной силой позади реактивного самолета, подтверждаются дымом на взлетно-посадочной полосе в эксперименте Немецкого аэрокосмического центра (DLR).

Аудиозапись вызванных лифтом вихрей, услышанных вскоре после пролета авиалайнера.

Вихри крыла - это круговые паттерны вращающегося воздуха, который остается позади крыла при создании подъемной силы . ^[1] Один вихрь на концах крыла следует от конца каждого крыла. Вихри законцовки крыла иногда называют хвостовыми вихрями или вихрями, вызванными подъемной силой, потому что они также возникают не на концах крыла, а в других точках. ^[1] Действительно, завихренность сохраняется в любой точке крыла, где подъемная сила изменяется по размаху (факт, описанный и количественно оцененный теорией подъемной линии ); в конечном итоге он сворачивается в большие вихри около законцовки крыла, на краю закрылков или при других резких изменениях вформа крыла в плане .

Вихри законцовки крыла связаны с индуцированным сопротивлением , передаваемым потоком воды вниз , и являются фундаментальным следствием создания трехмерной подъемной силы. ^[2] Тщательный выбор геометрии крыла (в частности, размаха ), а также крейсерских условий - это конструктивные и эксплуатационные методы, позволяющие минимизировать индуцированное сопротивление.

Вихри крыла образуют основной компонент турбулентности в следе . В зависимости от влажности окружающей среды, а также геометрии и нагрузки на крыло самолета, вода может конденсироваться или замерзать в ядре вихрей, делая вихри видимыми.

Генерация хвостовых вихрей [ править ]

Вычисление Эйлера концевого вихря, скатывающегося из ведомой завихренной полосы.

Когда крыло создает аэродинамическую подъемную силу , воздух на верхней поверхности имеет более низкое давление по сравнению с нижней поверхностью. Воздух течет снизу крыла и выходит вокруг его кончика к верхней части крыла по кругу. Наблюдается возникающая модель циркулирующего потока, названная вихревой , с ядром низкого давления.

К трехмерной подъемной силе и возникновению вихрей на концах крыла можно подойти с помощью концепции подковообразного вихря и точно описать с помощью теории Ланчестера – Прандтля . С этой точки зрения задний вихрь является продолжением ограниченного крыльями вихря, присущего генерации подъемной силы.

Если смотреть из хвостовой части самолета и смотреть вперед в направлении полета, можно увидеть один вихрь на концах крыла, идущий от левого крыла и циркулирующий по часовой стрелке, а другой - от правого крыла и вращающийся против часовой стрелки. В результате за самолетом между двумя вихрями образуется зона смыва вниз.

Два вихря на законцовках крыла не сливаются, потому что они циркулируют в противоположных направлениях. Они медленно рассеиваются и остаются в атмосфере еще долго после того, как самолет пролетел. Они представляют опасность для других самолетов, известную как турбулентность в спутном следе .

Эффекты и смягчение [ править ]

Современные авиалайнеры часто имеют тонкие крылья и законцовки крыльев.

Вихри крыла связаны с индуцированным сопротивлением , неизбежным следствием создания трехмерной подъемной силы. Вращательное движение воздуха в вихрях концевой части крыла (иногда описываемое как «утечка») уменьшает эффективный угол атаки воздуха на крыло.

Теория подъемной линии описывает отрыв вихрей как изменения в распределении подъемной силы по размаху. Для данного размаха и поверхности крыла минимальное индуцированное сопротивление достигается при эллиптическом распределении подъемной силы . Для данного распределения подъемной силы и площади крыла в плане индуцированное сопротивление уменьшается с увеличением удлинения .

Как следствие, летательные аппараты, для которых желательна высокая подъемная сила и лобовое сопротивление , такие как планеры или авиалайнеры большой дальности , обычно имеют крылья с высоким удлинением. Однако такие крылья имеют недостатки в отношении конструктивных ограничений и маневренности, о чем свидетельствуют боевые и пилотажные самолеты, которые, несмотря на потерю эффективности, обычно имеют короткие короткие крылья.

Другой метод уменьшения индуцированного сопротивления - использование винглетов , как на большинстве современных авиалайнеров. Крылья увеличивают эффективное удлинение крыла, изменяя характер и величину завихренности в вихревой структуре. Достигается уменьшение кинетической энергии в круговом потоке воздуха, что снижает количество топлива, расходуемого на выполнение работы с вращающимся воздухом.

После того, как НАСА стало обеспокоено возрастающей плотностью воздушного движения, потенциально вызывающей аварии, связанные с вихрями, в аэропортах, эксперимент, проведенный в аэродинамической трубе NASA Ames Research Center с моделью 747, показал, что конфигурация закрылков может быть изменена на существующих самолетах, чтобы разрушить вихрь. на три меньших и менее тревожных вихря. Это в первую очередь связано с изменением настроек подвесных закрылков и теоретически может быть модернизировано для существующих самолетов. ^[3]

Видимость вихрей [ править ]

Вихри падают на концах и передних кромках самолета F / A-18.

Ядра вихрей иногда видны, потому что присутствующая в них вода конденсируется из газа ( пара ) в жидкость , а иногда даже замерзает, образуя частицы льда.

Конденсация водяного пара в концевых вихрей крыла является наиболее распространенным на самолеты , летающие при высоких углах атаки , такие как истребители в высоких г маневров или авиалайнеров взлет и посадку на влажные дни.

Аэродинамическая конденсация и замерзание [ править ]

Ядра вихрей вращаются с очень высокой скоростью и являются областями очень низкого давления. В первом приближении эти области низкого давления образуются с небольшим теплообменом с соседними областями (т. Е. Адиабатически ), поэтому локальная температура в областях низкого давления также падает. ^[4] Если он опускается ниже местной точки росы , происходит конденсация водяного пара, присутствующего в ядрах вихрей на концах крыла, что делает их видимыми. ^[4] Температура может даже упасть ниже местной точки замерзания , и в этом случае внутри ядер образуются кристаллы льда. ^[4]

Фаза воды (т.е. предполагает, будь то в виде твердого вещества, жидкости или газа) определяется его температурой и давлением . Например, в случае перехода жидкость-газ при каждом давлении существует особая «температура перехода» , так что если температура образца даже немного выше , образец будет газом, но, если температура образца будет четной чуть ниже образец будет жидким; см. фазовый переход . Например, при стандартном атмосферном давлении , составляет 100 ° С = 212 ° F. Температура перехода ${\ displaystyle T_ {c}}$ ${\ displaystyle T_ {c}}$ ${\ displaystyle T_ {c}}$ ${\ displaystyle T_ {c}}$ ${\ displaystyle T_ {c}}$ уменьшается с понижением давления (что объясняет, почему вода закипает при более низких температурах на больших высотах и при более высоких температурах в скороварке ; см. здесь для получения дополнительной информации). В случае водяного пара в воздухе соответствующее парциальное давление водяного пара называется точкой росы . (Переход твердое тело-жидкость также происходит при определенной температуре перехода, называемой точкой плавления . Для большинства веществ точка плавления также уменьшается с понижением давления, хотя, в частности, водяной лед - в его форме I h , которая является наиболее известной - видный ${\ displaystyle T_ {c}}$ исключение из этого правила .)

Ядра вихрей - это области низкого давления. Когда начинает формироваться ядро вихря, вода в воздухе (в области, которая вот-вот станет ядром) находится в паровой фазе, что означает, что локальная температура выше локальной точки росы. После образования ядра вихря давление внутри него снизилось по сравнению с окружающим значением, и, таким образом, местная точка росы ( ) упала с окружающего значения. Таким образом, само по себе ${\ displaystyle T_ {c}}$ , падение давления будет иметь тенденцию удерживать воду в форме пара: начальная точка росы уже была ниже температуры окружающего воздуха, а образование вихря сделало локальную точку росы еще ниже. Однако по мере формирования ядра вихря его давление (и, следовательно, точка росы) - не единственное свойство, которое падает: температура ядра вихря также падает, и на самом деле она может упасть намного больше, чем точка росы.

В первом приближении , образование вихрей является термодинамически адиабатический процесс , то есть, один, без обмена теплом. В таком процессе падение давления сопровождается падением температуры согласно уравнению

{\ displaystyle {\ frac {T _ {\ text {f}}} {T _ {\ text {i}}}} = \ left ({\ frac {p _ {\ text {f}}} {p _ {\ text { i}}}} \ right) ^ {\ frac {\ gamma -1} {\ gamma}}.}

^[4]

Здесь и - абсолютные температура и давление в начале процесса (здесь равны температуре и давлению окружающего воздуха), и - абсолютные температура и давление в ядре вихря (что является конечным результатом процесса), а константа для воздуха составляет примерно 7/5 = 1,4 (см. здесь ). ${\ displaystyle T _ {\ text {i}}}$ ${\ displaystyle p _ {\ text {i}}}$ ${\ displaystyle T _ {\ text {f}}}$ ${\ displaystyle p _ {\ text {f}}}$ ${\ displaystyle \ gamma}$

Таким образом, даже если локальная точка росы внутри ядер вихря даже ниже, чем в окружающем воздухе, водяной пар может, тем не менее, конденсироваться - если образование вихря снижает локальную температуру ниже новой локальной точки росы. ^[4]

Для типичного транспортного самолета, приземляющегося в аэропорту, эти условия следующие: и имеют значения, соответствующие так называемым стандартным условиям , т. Е. = 1 атм = 1013,25 мбар = 101 325 Па и = 293,15 К (что составляет 20 ° C. = 68 ° F). Относительная влажность является удобной (точкой росы 4,1 ° С = 39,4 ° F) 35%. Это соответствует парциальному давлению водяного пара 820 Па = 8,2 мбар. В ядре вихря давление ( ) падает примерно до 80% от давления окружающей среды, т. Е. Примерно до 80 000 Па. ^[4] ${\ displaystyle T _ {\ text {i}}}$ ${\ displaystyle p _ {\ text {i}}}$ ${\ displaystyle p _ {\ text {i}}}$ ${\ displaystyle \,}$ ${\ displaystyle T _ {\ text {i}}}$ ${\ displaystyle p _ {\ text {f}}}$

Температура в ядре вихря определяется приведенным выше уравнением как 0,86 ° C = 33,5 ° F. ${\ displaystyle T _ {\ text {f}} = \ left ({\ frac {\ scriptstyle 80 \, 000} {\ scriptstyle 101 \, 325}} \ right) ^ {\ scriptscriptstyle 0.4 / 1.4} \, T_ { \ text {i}} = 0,935 \, \ times \, 293,15 = 274 \; {\ text {K}},}$

Затем парциальное давление воды в ядре вихря падает пропорционально падению общего давления (то есть на тот же процент) примерно до 650 Па = 6,5 мбар. Согласно калькулятору точки росы, это парциальное давление дает локальную точку росы около 0,86 ° C; другими словами, новая местная точка росы примерно равна новой локальной температуре.

Следовательно, это маргинальный случай; если бы относительная влажность окружающего воздуха была бы даже немного выше (при сохранении общего давления и температуры, как указано выше), то местная точка росы внутри вихрей повысилась бы, в то время как местная температура осталась бы прежней. Таким образом, локальная температура теперь будет ниже, чем локальная точка росы, и водяной пар внутри вихрей действительно будет конденсироваться. При правильных условиях локальная температура в ядрах вихря может упасть ниже локальной точки замерзания , и в этом случае частицы льда будут формироваться внутри ядер вихря.

Таким образом, механизм конденсации водяного пара в вихрях на законцовках крыла обусловлен локальными изменениями давления и температуры воздуха. Это должно быть контрастно с тем, что происходит в другом хорошо известном случае конденсации воды, связанной с самолетами: инверсионные следы от выхлопных газов авиационных двигателей. В случае инверсионных следов местное давление и температура воздуха существенно не меняются; вместо этого важно то, что выхлопные газы содержат как водяной пар (который увеличивает локальную концентрацию водяного пара и, следовательно, его парциальное давление, что приводит к повышению точки росы и точки замерзания), так и аэрозоли (которые обеспечивают центры зародышеобразования для конденсации и замерзания) . ^[5]

Построение полета [ править ]

Канадские казарки в V-образной формации

Одна из теорий перелета перелетных птиц гласит, что многие более крупные виды птиц летают в форме буквы V, так что все, кроме птицы-лидера, могут воспользоваться восходящей частью вихря кончиков крыльев впереди идущей птицы. ^[6]^[7]

Опасности [ править ]

Исследование НАСА по кончикам вихрей, показывающее размер создаваемых вихрей.

Вихри законцовки крыла могут представлять опасность для самолета, особенно во время посадки и взлета . Интенсивность или сила вихря зависит от размера, скорости и конфигурации самолета (положение закрылков и т. Д.). Самые сильные вихри производятся тяжелым самолетом, летящим медленно, с убранными закрылками и шасси («тяжелый, медленный и чистый»). ^[8] Большой реактивный самолет может генерировать вихри, которые могут сохраняться в течение многих минут, дрейфуя с ветром.

Опасные аспекты вихрей на законцовках крыльев чаще всего обсуждаются в контексте турбулентности в следе . Если легкий самолет сразу же следует за тяжелым самолетом, турбулентность в следе от тяжелого самолета может катить легкий самолет быстрее, чем можно противостоять с помощью элеронов. На малых высотах, особенно во время взлета и посадки, это может привести к расстройству, из которого невозможно выйти. («Легкий» и «тяжелый» - относительные термины, и из-за этого эффекта катились даже меньшие по размеру самолеты.) Диспетчеры воздушного движения пытаются обеспечить адекватное разделение между вылетающими и прибывающими воздушными судами, выдавая пилотам предупреждения о турбулентности в следе.

В целом, чтобы избежать вихрей, самолет более безопасен, если его взлет до точки вращения самолета, который взлетел раньше него. Однако необходимо соблюдать осторожность, чтобы оставаться против ветра (или иным образом) от любых вихрей, которые были созданы предыдущим самолетом. При посадке за самолетом самолет должен оставаться выше траектории полета предыдущего и далее приземляться по взлетно-посадочной полосе. ^[9]

Пилоты планеров обычно тренируются в полете в вихрях на законцовках крыльев, когда они выполняют маневр, называемый «уклонение от кильватерного следа». Это включает в себя спуск из верхнего положения в нижнее за буксирным самолетом. После этого создается прямоугольная фигура, удерживая планер в верхней и нижней точках вдали от буксирующей плоскости, прежде чем он снова поднимется через вихри. (В целях безопасности это не выполняется ниже 1500 футов над землей и обычно в присутствии инструктора.) Учитывая относительно низкую скорость и легкость обоих самолетов, процедура безопасна, но дает представление о том, насколько сильна и где находится турбулентность. . ^[10]

Галерея [ править ]

EA-6 Prowler с конденсацией в ядрах его Wingtip вихрей , а также на верхней части его крыльев.
Вихри могут образовываться на концах лопастей пропеллера, как это видно на DHC-5 Buffalo .
Ядро вихря, тянущееся от законцовки закрылка коммерческого самолета с выпущенной посадочной закрылкой.
Вихри крыла от модели аэродинамической трубы Cessna 182 .
Вихри законцовки крыла показаны в дыму от факелов, оставленных позади C-17 Globemaster III . Также известен как ангелы дыма.
MV-22 Osprey Tiltrotor имеет высокую загрузку диска , производя видимые кончик лезвия вихрей.
Эйлеров расчет стационарного концевого вихря. Цвета контуров и изоповерхности обнаруживают завихренность.
Модель Boeing 747 только что прошла сквозь неподвижную пелену дыма, которая показывает свои вихри, в Vortex Facility в исследовательском центре Лэнгли .

См. Также [ править ]

Соотношение сторон (крыло)
Инверсионный след
Теоремы Гельмгольца
Подковообразный вихрь
Лифт-индуцированное сопротивление
V формация
Вихрь
Турбулентность следа
Ворона нестабильность

Ссылки [ править ]

Клэнси, LJ (1975), Аэродинамика , Pitman Publishing Limited, Лондон ISBN 0-273-01120-0

Примечания [ править ]

^ a b Клэнси, LJ, Аэродинамика , раздел 5.14
^ Клэнси, LJ, Аэродинамика , разделы 5.17 и 8.9
^ Экспериментальное исследование влияния пролетной нагрузки на спутную струю самолета. Виктор Р. Корсилья, Вернон Дж. Россоу и Дональд Л. Чиффон. Исследовательский центр НАСА Эймса. 1976 г.
^ a b c d e f Грин, С. И. "Вихри на конце крыла" в жидкостных вихрях, С. И. Грин, изд. ( Kluwer , Амстердам, 1995) стр. 427–470. ISBN 978-0-7923-3376-0
^ NASA, Contrail Наука архивации 5 июня 2009, в Wayback Machine
^ Wieselsberger, С. (1914). "Beitrag zur Erklärung des Winkelfluges einiger Zugvögel". Zeitschrift für Flugtechnik und Motorluftschiffahrt (на немецком языке). Мюнхен / Берлин: Wissenschaftliche Gesellschaft für Luftfahrt. 5 : 225–229.
^ Лиссаман, PBS; Шолленбергер, Калифорния (1970). «Формирование полета птиц». Наука . 168 (3934): 1003–1005. Bibcode : 1970Sci ... 168.1003L . DOI : 10.1126 / science.168.3934.1003 . JSTOR 1729351 . PMID 5441020 .
^ Батлер, К.М. (1993), Оценка адвекции и затухания вихревого следа с использованием метеорологических датчиков и данных с самолетов (PDF) , Лаборатория Линкольна, Массачусетский технологический институт, стр. 11
^ Как избежать турбулентности в следе во время взлета и посадки
↑ Бокс по следам

Внешние ссылки [ править ]

Викискладе есть медиафайлы по теме вихрей Wingtip .

Видео из НАСА «s Драйден исследовательского центра полетных испытаний на Wingtip вихрях:
- C-5 Galaxy : [1]
- Локхид L-1011 : [2]
Вихри крыла при приземлении - Видео на Youtube

[Clancy5.14-1] Клэнси, LJ, Аэродинамика , раздел 5.14

[2] Клэнси, LJ, Аэродинамика , разделы 5.17 и 8.9

[3] Экспериментальное исследование влияния пролетной нагрузки на спутную струю самолета. Виктор Р. Корсилья, Вернон Дж. Россоу и Дональд Л. Чиффон. Исследовательский центр НАСА Эймса. 1976 г.

[Green_Fluid_Vortices-4] Грин, С. И. "Вихри на конце крыла" в жидкостных вихрях, С. И. Грин, изд. ( Kluwer , Амстердам, 1995) стр. 427–470. ISBN 978-0-7923-3376-0

[5] NASA, Contrail Наука архивации 5 июня 2009, в Wayback Machine

[6] Wieselsberger, С. (1914). "Beitrag zur Erklärung des Winkelfluges einiger Zugvögel". Zeitschrift für Flugtechnik und Motorluftschiffahrt (на немецком языке). Мюнхен / Берлин: Wissenschaftliche Gesellschaft für Luftfahrt. 5 : 225–229.

[7] Лиссаман, PBS; Шолленбергер, Калифорния (1970). «Формирование полета птиц». Наука . 168 (3934): 1003–1005. Bibcode : 1970Sci ... 168.1003L . DOI : 10.1126 / science.168.3934.1003 . JSTOR 1729351 . PMID 5441020 .

[8] Батлер, К.М. (1993), Оценка адвекции и затухания вихревого следа с использованием метеорологических датчиков и данных с самолетов (PDF) , Лаборатория Линкольна, Массачусетский технологический институт, стр. 11

[9] Как избежать турбулентности в следе во время взлета и посадки

[10] Бокс по следам

[1]