Аэродинамика крыла и законцовки
рейтинг: +8+x

Инженер2010:

Немного добавлю про использование законцовок крыла. Они таки действительно снижают перетекание воздуха с нижней поверхности крыла на верхнюю, но не для увеличения подъёмной силы крыла (этой проблемы нет на крейсере), а для повышения а/д качества. Постараюсь изложить понагляднее, правда, получится длинновато, так что пациентов Канатчиковой дачи прошу не читать, чтобы не возбуждаться.

00.jpg

Представьте себе изолированную струйку воздуха, попавшую на крыло: на передней кромке крыла струйка разделяется на две части — одна обтекает профиль сверху, а вторая — снизу. Исходя из постулата о неразрывности потока, обе части струйки обязательно встретятся на задней кромке профиля. Так как верхней части струйки приходится «пробегать» большее расстояние, то её скорость увеличивается, и над крылом возникает разрежение, приводящее к возникновению подъёмной силы, и как правильно было замечено, к перетеканию воздуха с нижней поверхности крыла, через его законцовку, на верхнюю поверхность, где давление ниже. Таким образом, по всему полуразмаху на нижней поверхности крыла воздух перемещается в сторону законцовки, а на верхней поверхности в обратную сторону, то есть от законцовки к фюзеляжу. Тут и начинается самое интересное: к скоростям движения верхней и нижней частей струйки вдоль профиля крыла добавляется боковая составляющая, направленная вдоль размаха, поэтому нижняя часть струйки слегка отклоняется в сторону законцовки, а верхняя — в сторону фюзеляжа. В результате этого взаимного смещения обе струйки, смыкаясь за задней кромкой профиля, закручиваются… и превращаются в вихревой жгут. То есть поток воздуха, попадая на крыло, сходит с него уже в виде вихревой пелены. А так как скорость перетока растёт ближе к законцовкам, то интенсивность вихрей также увеличивается в направлении от фюзеляжа к законцовкам, а самыми мощными всегда являются концевые вихри. Крыло самолёта, «продираясь» сквозь воздух, генерирует вихревую систему, а на это приходится затрачивать дополнительную энергию, то есть преодолевать дополнительное сопротивление, называемое вихревым, или индуктивным.

В итоге, коэффициент сопротивления самолёта, в общем случае, складывается из Сх0 (сопротивление при нулевой подъёмной силе) и Схi (индуктивное). В полетё с М>0.7 появляется ещё и третье слагаемое — Схм (волновое сопротивление), но в данном процессе мы его не рассматриваем. В аэродинамике есть такое теоретическое понятие, как «крыло бесконечного размаха» (как в геометрии — бесконечная прямая или бесконечная плоскость), и это крыло совсем не имеет индуктивного сопротивления. Но реальное крыло конечного размаха даёт существенную «вихревую» добавку к Сх0. Уменьшить эту добавку (снизить интенсивность вихрей), и соответственно повысить а/д качество самолёта можно увеличением геометрического удлинения крыла (размах в квадрате, делённый на площадь крыла), самый яркий пример такого решения — планер-паритель у которого удлинение может достигать 20-25 единиц. У гражданских ВС удлинение около 10-11. Применение законцовок различной формы позволяет достичь этого же эффекта, не удлиняя консоли крыла — увеличить так называемое «эффективное удлинение» на 1-2 единицы.

Таким образом, законцовки применяются для уменьшения интенсивности вихрей и повышения а/д качества самолёта, а, следовательно, уменьшения расхода топлива, преимущественно в крейсерском полёте.

Валерий Попов: Строго говоря, производная коэффициента подъемной силы по углу атаки тоже подрастёт, так как она связана с интенсивностью вихревой системы крыла и удлинением крыла. Но в данном случае это «побочный» эффект.

Инженер2010: Валера, и не надейся, не выйдет — приводить формулы и копать далеко вглубь я не буду, я же написал, что постараюсь изобразить понагляднее и попроще. :))) А все желающие могут дополнить, тоже простым языком — без производных и интегралов… :)

Валерий Попов: Типичная ошибка в рассуждениях — считать, что вихревая система возникает вследствие «перетекания потока с нижней поверхности на верхнюю через законцовку». Отсюда же и проекты кольцевых крыльев. Прямо же было сказано, что вихревая система — плата за создание подъёмной силы и результат в первую очередь наличия тангенциального разрыва скорости на задней кромке крыла конечного размаха. С задней кромки будет сходить сплошная вихревая пелена с переменной интенсивностью вдоль размаха, какие бы законцовки к крылу не прикручивали. Эта пелена «сворачивается» в два вихря на расстоянии нескольких хорд крыла вниз по потоку.


Ntone: Почему такое разнообразие законцовок: от визитной карточки А32x — смотрящие в обе стороны, B738 — огромными хвостами смотрящие вверх, ну и горизонтальные, например у B787, B748. Полагаю, они неравнозначны.

airbus.jpg
787.jpg

tomashomecat: интересно насколько логические выводы будут отличаться от профессионально-аэродинамических :)

Все эти законцовки — Уиткомбы, шарклеты и прочие «концевые шайбы», являются вещью в себе — уменьшают индуктивное сопротивление, но с другой стороны — увеличивают общий Сх0 и вес. Можно нацепить «украшение» на крыло, а в результате получить копеечный выигрыш в расходе или вообще — «остаться при своих». Так что их индивидуальный подбор к крылу — вещь очень непростая и иногда их ставят просто ради моды, чтобы показать, что это «Next Generation», а не какой-то там «древний отстой». О всех премудростях данного процесса могут рассказать «чистые» аэродинамики.

ng.jpg
A-350_Winglet(1).JPG

Engineer_2010: «Чистые аэродинамики» уже рассказывали)))))). Именно по их настоянию базовый SSJ получился без законцовок. Но Долотовский говорит про 3% экономии на продувках ЦАГИ.


Болсуновский Анатолий: Уважаемый Engineer_2010, спасибо за Ваше популярное объяснение механизма работы законцовок крыла. Оно практически правильное, за исключением следующего тезиса: «Исходя из постулата о неразрывности потока, обе части струйки обязательно встретятся на задней кромке профиля. Т.к. верхней части струйки приходится «пробегать» большее расстояние, то её скорость увеличивается и над крылом возникает разрежение, приводящее к возникновению подъёмной силы».

В реальности средние скорости на верхней и нижней поверхности не являются обратно пропорциональными расстояниям от передней критической точки до задней кромки. Так, при достаточно сильном увеличении угла атаки профиля, скажем на 10 градусов, подъемная сила вырастет в несколько раз, а критическая точка переползает всего на ~5% назад. Так что струйки тока, разъединившись вблизи передней кромки не встречаются одновременно у задней кромки. Это звучит несколько парадоксально, но поддаётся проверке либо на каком-нибудь аналитическом профиле с известным точным распределением скоростей, либо численно. Для меня это тоже было шоком (причем не так уж давно :)).

Как обсуждали мы с товарищами по работе, по-видимому, точнее говорить так: вокруг профиля возникает циркуляция скорости, причем именно такая, чтобы выполнить постулат Жуковского-Чаплыгина-Кутты. Эта циркуляция увеличивает скорость на верхней поверхности и уменьшает на нижней, а затем по закону Бернулли возникает перепад давлений, ну и далее, так как у Вас. Звучит хуже, чем исходное утверждение, но «истина дороже». Буду благодарен кому-нибудь из участников форума, кто предложит лучшую формулировку, так как объяснять студентам (да и себе :)) хочется понагляднее.

Валерий Попов: Этот факт имеет место и как для крыла конечного размаха, так и для крыла бесконечного размаха? С крылом конечного размаха всё более-менее понятно, а как быть с уравнением неразрывности в случае профиля? Извините за наивность, долго обдумывать вопрос не получилось.

Про кольцевые крылья это так, моё слегка поверхностное соображение, основанное на том, что индуктивное сопротивление в первую очередь зависит от размаха крыла и только потом уже от закона распределения циркуляции, наличия законцовок и прочего. Так что если я увижу поляру кольцевого крыла, существенно отличающуюся в лучшую сторону от поляры плоского крыла того же размаха — буду очень сильно удивлен.

Болсуновский Анатолий: Да я и сам этот «квадратный трёхчлен» представить не могу :). Надо будет, пожалуй, написать программку с визуализацией положения частиц в каждый момент времени, или воспользоваться чем-либо от «обледенителей» — у них эта задача актуальна.

А то в каждую такую щель нечёткого объяснения пытается пролезть какой-нибудь новый Эйнштейн от авиации (можете погуглить — есть уже такой, объявивший закон Бернулли неверным, а всё мировое сообщество обвинил в 300-летнем заблуждении).

Вот сейчас гулял и придумал такой пример. Возьмём абсолютно тонкий вогнутый профиль — например параболический, в учебниках есть его расчёт при безударном обтекании. Подъёмная сила есть, а путь, что сверху, что снизу у абсолютно тонкого профиля от передней кромки до задней одинаков. Так что разницей пути частиц подъёмную силу объяснить нельзя. Надо будет ещё подумать на эту тему :)

Валерий Попов: Может еще проще рассматривать плоскую пластину бесконечного размаха под малым углом атаки?


Engineer_2010: Анатолий, спасибо Вам за уточнение. А про горизонтальные/вертикальные законцовки ничего не добавите, по рабоче-крестьянски? Конечно, если есть такая возможность (в смысле времени). Было бы всем интересно…

Болсуновский Анатолий: Насчёт законцовок. Как сегодня Вы уже указывали, законцовки не только снижают индуктивное сопротивление, но и добавляют Сх0 и вес, в том числе, по-хорошему, нужно добавлять материал в конструкцию крыла, чтобы парировать увеличение изгибающего момента. Упругисты тоже не любят ВЗК, так как они снижают критическую скорость флаттера.
Здесь нужно чётко рассчитать итоговый эффект, так как бывают и конфузные случаи. Так, для А-320 было несколько попыток спроектировать эффективные законцовки, пару лет назад две из них даже испытывались в полёте — и в результате пшик, для NEO пришлось всё переделывать. Вот почему мы ждём испытаний ВЗК на LR и бизнес-версиях с надеждой, но и чуть-чуть «мохаем», хотя продувки действительно устойчиво показывают 3%-ое улучшение аэродинамического качества (прирост около 0.5).

Почему законцовки не ставились сразу? Ну, как все помнят, базовой версией в начале была RRJ-75, да и для RRJ-95 расчётный вес был меньше, поэтому полётные Су не были достаточно высоки, а так как $C_{xi} = \frac{C_y^2}{\pi * \lambda}$, где λ — удлинение, то и навар от законцовок был бы небольшой. С тех пор самолет «потяжелел на 3 тонны», LR-ка и тем более бизнес-версия ещё тяжелее, а бизнес и летать должен выше, над регулярными эшелонами, Су — больше, индуктивное сопротивление уже существеннее, поэтому законцовка имеет смысл. Хотя мы надеемся, что в случае, если ВЗК себя хорошо покажут, то может они будут устанавливаться и на стандартной версии. Постепенное внедрение законцовок для более тяжёлых версий самолета известно, например, для Emb-145 — гражданские версии шли без законцовок, а военная с радаром и бизнес уже имели законцовки.

Много было дискуссий — какие законцовки лучше устанавливать: ВЗК, горизонтальные, дримлайнеровские и т. д. На эту тему есть много статей и «спекуляций», включая «модные» тенденции. Испытывались разные, но тенденция у них приблизительно одинакова — та законцовка, которая даёт наибольший прирост качества, как правило, даёт и большее приращение изгибающего момента. Причём надо учитывать изгибающий момент не только для случая максимального статического нагружения, но и тот, который на крейсерских режимах определяет ресурс конструкции. Так что здесь не всё так просто. Как справедливо шутит мой коллега, иногда проще всё крыло спроектировать, чем эту маленькую фитюльку. Надо ещё добавить, что суммарный эффект достаточно мал, и разница в эффективности между той или иной законцовкой запросто тонет в точности расчётных или экспериментальных исследований.

737.jpg

Для крыльев из композитных материалов проблема установки законцовок ещё более усложняется, так как нужно организовывать узел стыка, что нежелательно. Для МС-21 помимо всего прочего существует ограничение по размаху — там нельзя делать развал ВЗК наружу. Эйрбас долго устанавливал свои fences, потому что не хотел платить американцам за патент на ВЗК и т.д. В общем, надеемся на Вас и Ваших коллег и ждем с нетерпением летных данных :)

Engineer_2010: Если я правильно понимаю, выгода от применения ВЗК и прочих законцовок имеется при больших дальностях полёта, так что реально они пригодятся именно для LR и бизнес-версии. Ещё раз спасибо Вам за рассказ. Нам с коллегами тоже интересно будет поучаствовать в изучении этих «маленьких фитюлек», так что с нетерпением ждём развития событий в этом направлении… :)

APZ: Форма «законцовок» зависит от многих параметров: удлинения / сужения / крутки крыла, толщины / «кривизны» / «формы» профиля, крейсерской скорости, «крейсерского» угла атаки (это навскидку — наверняка много чего ещё забыл).

Подбор «законцовок» / крылышек Уиткомба / шарклетов и проч. дело очень непростое и обсчёту, вообще говоря, поддаётся плохо. Посему каждой фирме на каждом самолёте приходится заниматься тем, что с дилетантской точки зрения выглядит «изобретением велосипеда».

50.jpg
SVAN_27: Концевые шайбы использовались давно, а вот нынешнему интересу к винглетам мы обязаны, скорее всего, гидродинамикам. Можно спорить, сыграл революционный киль решающую роль в победе на «Кубке Америки 83» или нет, но «поднял волну» это точно. Так что изобретать велосипед стоит.
3898750462_979c6cd0b3_z.jpg

Петр: Уважаемые, имею спросить вопрос: вертикальные гребни на крыле НЯП выполняют эту же функцию? Так они вроде весят полегче, может ну их, эти законцовки? И ещё: генераторы вихрей возле передней кромки на верхней поверхности — они для того же, или только чтоб прижать вихрем воздух к крылу на больших углах атаки (меньше вероятность отрыва?) Они-то ещё меньше весят…

Болсуновский Анатолий: Нет, здесь Вы неправы. Вертикальные гребни на старых самолётах использовались для уменьшения срыва с концов крыла, и, соответственно, для исправления моментных характеристик. Беда в том, что они существенно добавляют сопротивление. Сейчас срыв с концов лечат за счёт уменьшенной стреловидности (25 градусов у RRJ против 35 у Ту-134 при одинаковом числе М), переменной крутки и профилировки по размаху.

Вихрегенераторы — это устройства для устранения отрыва. А индуктивное сопротивление не связано с отрывом — оно существует при безотрывном обтекании крыла, и (в теории) даже при отсутствии вязкости.


Болсуновский Анатолий: Будьте поаккуратнее в терминах. Например, что такое "индуктивная подъемная сила". Есть понятие индуктивного сопротивления. Его происхождение связано НЯП с индуцированным скосом от сбегающих вихрей, и соответственной проекцией местной подъемной силы на направление потока.

Несимметричный он из-за циркуляции скорости вокруг профиля. А вот как это потом обратно сливается в одно течение - пока не могу сказать, хорошо бы это посчитать и посмотреть.

02 Mar 2013 17:47 (опубликовано: skydiver000)


Если вам понравилась статья, не забудьте поставить "+"

рейтинг: +8+x

Facebook vk16.png twitter_icon.png livejournal.gif mailru-share-16.png ok-logo.png

Добавить новый комментарий
fancy-divider.gif

Читайте далее

  • Великолепная аэродинамика - интервью с А.В. Долотовским - There is the English version of this article У авторов сайта superjet.wikidot.com появилась очень интересная возможность поговорить с одним из тех, кто участвовал в создании SSJ-100, заместителем Главного конструктора по аэродинамике ГСС Александром...… (+19)
  • Нормы прочности - Читал где-то, что в СССР нормы прочности в авиастроении, были выше, чем то, к чему привязываются сейчас Engineer_2010 пишет: Небо было голубее, трава зеленее, а нормы прочнее А если нормы прочности в СССР при строительстве мостов, были выше, чем...… (+18)
  • Кабина - СвернутьРаскрыть Содержание Начало Идеология Цвет Пульты Обзор БРУС Освещение Особенности кабины и Удобства вопросы Проектировали кабину два отдела ГСС – кабинщики компоновали пульты, а отдел авионики разрабатывал индикацию. Огромный вклад...… (+14)
  • Багажно-грузовые отсеки - Обсуждение БГО Радист пишет: Одна из неприятных особенностей ССЖ - если требуется снятие багажа - это гарантированная задержка рейса. Багажники узкие, двое внутри работать не могут (да что там не багажник это,а нора).Если полупустой рейс и багажа...… (+12)
  • О тяговооруженности и ЛТХ Суперджета - Pilot_ssj100 писал: Мне приходилось летать на Ту-154 и Airbus-320. SSJ отличный самолёт. По пилотированию он лучше 320. По защитам от всяких недугов тоже. Ту-154 был самым тяговооружённым самолётом в мире. У сухого (посчитав по простой формуле)...… (+11)
  • Законцовки крыла на самолётах SSJ100LR и SBJ - ГСС РАССМАТРИВАЕТ ВОЗМОЖНОСТЬ УСТАНОВКИ ЗАКОНЦОВОК НА SSJ-100LR Москва. 19 февраля. АвиаПорт - ЗАО Гражданские самолеты Сухого (ГСС) рассматривает возможность установки опциональных законцовок крыла на самолете Sukhoi Superjet 100 в версиях...… (+11)
page 1 of 8123...78next »
fancy-divider.gif

Случайные статьи

  • Статус ЦОС 30.06.14 - 95065 - передан на ЛИС 95054 - доработки, устранение замечаний… (+8)
  • Ту-204, автоматика и процесс обучения пилотов - Engineer_2010 писал: В той трагедии с 204-й, мне например непонятно, почему экипаж не пользовался автоматикой по полной, а выполнял заход « в директорном режиме с отключенным автоматом тяги ». Т.е. они пилотировали почти вручную, только по директорным планкам, и всю дорогу шуровали штурвалами и...… (+7)
  • Жрёт на 3% больше из-за элементарного просчета - Есть такой человек - Александр Мирошниченко, ему заняться видимо не чем, он делает иногда интересные расчеты, в основном на авиафоруме. Привожу его взгляд на топливную неэффективность SSJ. Конструкция SSJ-100 рассчитана на взлетную массу 49.5 тонн лайнера 95LR, хотя 80% продаж приходится на 95B...… (+-6)

Использование материалов сайта разрешается только при условии размещения ссылки на superjet100.info

Пока не указано иное, содержимое этой страницы распространяется по лицензии Creative Commons Attribution-ShareAlike 3.0 License