Lift (aerodinamikus)

Viszkozitása miatt a Coandă-effektus elmagyarázza, hogy a domború profilnak megfelelő mozgó levegő tömege követi ennek a profilnak a felületét; A légáramlás a szárny felületén "ragadt" marad. A légtömeg követi a szárny profilját, és lefelé vetül.

Ez csak korlátozott gyakorisággal érvényes . Egy bizonyos támadási szögön túl a légáramok leválnak a felső felületről, és a lift gyakorlatilag eltűnik, ez a bódé .

A felső felület nagyobb légsebessége vákuumot hoz létre, amely felhúzza a szárnyat. Az alacsonyabb légsebesség az alsó felületen túlnyomást eredményez, amely a szárnyat is felfelé tolja. A felső felületen lévő vákuum általában kétszer akkora emelőerőt hoz létre, mint az alsó felületen a túlnyomás.

Gyakori hiba az a vélekedés, hogy a légrészecskék felgyorsulnak, mivel a felső felület domború alakja hosszabb utat eredményez a tetején, és hogy a szárny felett és alatt áthaladó légrészecskéknek egyidejűleg a tetején kell lenniük. a szárny.

A valóságban a felső felület részecskéinek sebessége sokkal nagyobb, mint egy hosszabb utazás eredményeként, és mindenesetre a kép bal oldalán együtt maradt két légrészecskének nincs oka arra, hogy a ugyanakkor a szárny hátsó szélén, miután felülről vagy alulról követték a profilt. A bal oldali animációban még azt is észrevehetjük, hogy a felső fekete pontok szinte utolérik az előző "testtől távol álló fekete függőleges" alsó fekete pontjait, azaz. hogy a felső felület mentén az áramlás majdnem kétszer olyan gyors a felső felületen, mint az alsó felületen ...
A jobb oldali animáció (a bal oldali felől vett) a profil áthaladását mutatja korábban egy légszeletben még mindig. Megfigyeljük, hogy a légszelet két része fel van ruházva, miután a profil bizonyos sebességgel lefelé halad (itt nagyon alacsony, mivel az animáció lassított mozgás), tehát összesen bizonyos mennyiségű lefelé irányuló mozgás. Ez a mozgásmennyiség lépésről lépésre kerül a többi légrészecskére a bolygó felszínére (mivel a részecskék továbbítják a mozgásmennyiséget, sebességük arányosan csökken, még akkor is, ha a mozgásmennyiség létezik. Mindig).

Kutta-Jukowski tétel

Szubszonikusan a nagy képarányú szárny megemelkedése arányos az e körüli levegő keringésével (lásd Kutta-Jukowski tétele ). A Kutta-feltétel szabja meg a keringés értékét úgy, hogy a hátsó élnél ne legyen végtelen sebesség .

Lift készítmény

A függőleges lift a newton (N) a szárny: Fz{\ displaystyle F_ {z} \,}

Fz=12ρV2SVSz{\ textstyle F_ {z} = {\ frac {1} {2}} \ rho V ^ {2} SC_ {z}}

val vel:

• ρ{\ displaystyle \ rho} : a folyadék sűrűsége kg / m 3 -ben
• V{\ displaystyle V} : sebesség m / s-ban
• S{\ displaystyle S} : referenciafelület m 2 -ben
• VSz{\ displaystyle C_ {z}}= emelési együttható ( dimenzió nélküli szám ), amely a szárny alakjától, de annak beesésétől is függ

Ez a képlet, eredő dimenziós elemzést és megegyezik a húzza , érvényes minden koherens egységrendszer. Ne feledje, hogy nem azt mondja, hogy az emelés pontosan arányos a sebesség négyzetével. Csak egy teszt igazolhatja vagy tagadhatja meg egy adott esetben. Meghatározza a következetes keretet e vizsgálatok eredményeinek kifejezésére, a dimenzió nélküli együtthatót más dimenzió nélküli számok függvényében határozzák meg.

A dimenzió nélküli számok mellett, mint például a megnyúlás, amelyek kifejezik a geometriai hasonlóságot, vannak dimenzió nélküli számok, amelyek kifejezik a fizikai hasonlóságot. Az emeléshez a leghasznosabb szám a Mach-szám, amely jellemzi az összenyomhatóság hatásait . A viszkozitás hatásait kifejező Reynolds-szám kevésbé fontos szerepet játszik az emelésnél, mint a húzásnál.

F z = q SC z általánosabban írunk , q a dinamikus nyomás , S a referencia felület és C z az emelési együttható. Ez az összes aerodinamikai együtthatóra általánosít  : ρV22{\ displaystyle {\ frac {\ rho V ^ {2}} {2}}}

• Angolszász jelölésünkben:

- Emelés = emelés = q SC L (az emelés merőleges a sebességvektorra)
- Húzás = húzás = q SC D (az ellenállás párhuzamos a sebességvektorral)

• Az (x, y, z) síkhoz kapcsolt referenciában:

- a szimmetriasíkbeli emeléshez F z és C z
- oldalirányú emeléshez F y és C y ,
- húzáshoz F x és C x .

Az emelési együttható meghatározása

A folyamatos közeg közelítésére reagáló folyadéknak , vagyis abban az esetben, ha a folyadék részecskéinek mérete nagyobb, mint a molekuláké, de elég kicsi ahhoz, hogy lehetővé tegyék a differenciálok alkalmazását , a folyadékok mechanikájának általános egyenletei a Navier- Stokes-egyenletek . A vékony profil emeléssel kapcsolatos problémáiban a viszkozitás és a turbulencia általában elhanyagolható; a folyadékot tehát tökéletesebbnek tekintik a sokkal egyszerűbb Euler-egyenletek alapján .

Ezeket általában a sebességpotenciál-áramlások elmélete és különösen a vékony profilok elmélete kezeli .

Az emelést befolyásoló változók

Ez a képlet a következő paramétereket tartalmazza:

• A folyadék ρ (rho) sűrűsége. A víz sűrűsége körülbelül ezerszer nagyobb, mint a levegőé. Ha minden más dolog egyenlő, ezért ezerszer nagyobb lendületet fejt ki. Tízszer alacsonyabb sebesség esetén az elsüllyedt szárny vagy a fólia emelése még mindig tízszer nagyobb, mint egy repülőgép szárnya. Egy m² utasszállító szárny 600–700  kg  ; egy m² fólia 6-10 tonnát képes szállítani. Ez megmagyarázza, hogy néhány m² fólia elegendő-e a tíz tonna tömegű szárnyashajó repítéséhez .
• S szárnyfelület (szárnyfelület). A szárny szárnyainak alacsony fordulatszámon történő hátrafelé történő kioldása (leszállás és felszállás) növelheti a szárny tényleges területét, azonban az egyezmény szerint az S értéke ugyanaz marad, ez az emelési együttható növekszik.
• Az V. sebességnégyzet. „Az emelés a sebességből született virág” ( Ferber kapitány , repülési úttörő).
• A szárny vagy a vitorla emelési együtthatója a következőktől függ:
  • az incidencia szögéből , angolul  : attack angle . A szög növekedésével az emelés egy bizonyos emelési lejtőn növekszik, majd eléri a maximumot. Ha ezt a szöget túllépik, a lift többé-kevésbé hirtelen összeomlik, ez az átesés
  • a szárny emelési lejtése , amely főleg annak tényleges oldalarányától , profiljától és a környezeti feltételektől (Mach és Reynolds N a levegőben) függ .
  • a szárny alapalakja és alakváltozása, amelyek befolyásolják a szárny tényleges oldalarányát,
  • a szárny profilja , különösen annak bukkanása ,
  • módosítása ezt a profilt (kötelet, és kerékdőlés) által fékszárny , lécek és görbületi szárnyak (lécek / szárnyak angolul), használt felszállás és leszállás ,
  • magas incidenciájú hordozó örvények generálása (örvénygenerátorok, DLE lécek, örvények, delta szárny ),
  • közelében a föld: a föld hatása csökkenti a lehajlás növekedésével a helyi előfordulása, ezért a lift.
  • A kavitáció amelyek előfordulhatnak a felületén a szárny, amikor elhelyezik a folyékony közegben viszonylag nagy sebességgel.

A Reynolds-szám és az összenyomhatóság hatása

Ennek a megfogalmazásnak az az előnye, hogy az aerodinamikai együtthatók állandónak tekinthetők, adott konfigurációban és adott gyakorisággal. Ez azonban nem egészen így van, a Reynolds- számtól és a Mach-számtól függően változik  : VSz{\ displaystyle C_ {z}}

• Reynolds-szám  : ez függ a levegő viszkozitásától (amely a hőmérséklettől függően változik), a szárny akkordjától és a sebességtől. Az emelés, a maximális emelés (az elakadás előfordulása ) kivételével, és a vontatástól eltérően , alig függ tőle. Így a gyakorlatilag állandó. A felvonó tehát tökéletes folyadékban (nem viszkózus levegőben) létezhet, miközben az ellenállás nulla. A viszkozitás azonban szerepet játszik a felvonó keletkezésében, amint az alábbiakban kifejtésre kerül.VSz{\ displaystyle C_ {z}}

• Összenyomhatóság  : ha a repülőgép a hangéhoz képest alacsony sebességgel halad, a folyadék összenyomhatatlannak tekinthető. A felvonó ekkor arányos a sebesség négyzetével. Beyond Mach 0,3 kb, a szubszonikus , szükséges, hogy a korrekció szerinti Mach-szám. A Supersonics , gyalúkhoz képes átjutni a hang gáton , lökéshullámok keletkeznek , amelyen keresztül az áramlási hirtelen csökken a sebesség, a ezután döntően a Mach. A hangsebesség ( transzkonikus ) körül a transzkonikus áramlás sokkal bonyolultabb, mert a lökéshullámok helye gyorsan változik, és változó.VSz{\ displaystyle C_ {z}}VSz{\ displaystyle C_ {z}}VSz{\ displaystyle C_ {z}}

Magnus-effektus

Vegyünk egy hengeret, amelynek feltételezett végtelen hosszúságú körmetszete rögzítve van a feltételezett U sebesség áramlásán balról jobbra: általában áthúzódik az áramlás irányában, amely a körülményektől függően több eredetű lehet, de nem emelkedik merőlegesen az áramlás irányába. az áramlás (az aszimmetrikus vagy váltakozó örvények kivételével ).

Ha a henger a tengelye körül forog, akkor a vele érintkező viszkózus folyadék magával ragad (csúszásmentes). Ennek eredményeként minden egyes egyenes szakasz keringéssel történikΓ{\ displaystyle \ Gamma \,} , a folyadék sebességének a kerületén integrálva. Ha a henger retrográd irányban forog, akkor az áramlás torzul, így a legmagasabb ponton lévő sebesség a forgás hiányában hozzáadódik a sebességhez, míg a legalacsonyabb pontnál levonjuk. Így Bernoulli itt alkalmazott tétele szerint , ahogy lennie kell, állítólag összenyomhatatlan folyadék esetén az alsó részen túlnyomások, a felső részen pedig nyomások vannak. A folyadékmechanikában bebizonyosodik, hogy az így létrehozott emelés merőleges az áramlás sebességvektorára, és értéke a henger egységnyi hosszára vonatkozik, ρ a folyadék sűrűsége:

Ez az eredmény Kutta-Joukowsky-tétel néven ismert .

Végtelen szárnyfesztávolságú szárny emelése

Konformális transzformációval (amely megtartja a szögeket) átalakíthatjuk a kör alakú hengeret állandó profilú szárnyakká. Az előző tétel továbbra is érvényes, de a fizikai probléma a keringés eredetét érinti. Valójában kizárt, hogy a szárnyat elforgassuk, hogy Magnus-effektust kapjunk.

Ahhoz, hogy megértsük a keringés létrejöttét a felvonó kezdőpontjánál, meg kell jegyezni, hogy a profilon, mint a korábban figyelembe vett körön, az áramlásnak két megállási pontja van. Forgalom hiányában az upstream megállópont az elülső él közelében, míg a downstream leállítási pont a felső felületen a hátsó él közelében helyezkedik el. Ennek az az eredménye, hogy az alsó felületet követő folyadékszálnak hirtelen el kell fordulnia a hátsó élnél, hogy megtalálja ezt a lefelé tartó megállási pontot, ami végtelen sebességhez vezetne, és nincs összhangban a tapasztalatokkal. Ezután létrejön egy keringés, amely ezt a megállási pontot a hátsó szélig tolja: a Kutta-feltétel biztosítja az áramlás stabil egyensúlyát azáltal, hogy egyedülálló módon rögzíti a keringést.

A szárnyat a sebességek referenciaként használva látható, hogy az áramlás az elülső élben, a felső felületben, a hátsó élben, az alsó felület irányában van. Valójában a keringést megőrzi az ellentétes irányú örvény létrehozása, amelyet a nyomában „kiöntenek”, és eltávolodik a folyásiránytól, majd eltűnik a viszkózus súrlódás hatására.

Nem módosítjuk az emelést, ha a profilt egyszerű örvényrel helyettesítjük, a szárny „összekapcsolt örvények” soraként jelenik meg. Ez az emelés összefüggésbe hozható az áramlással, amely felfelé és lefelé halad.

Az emelést a Magnus-effektushoz hasonló képlettel írják le. A keringés ekkor arányos volt a hengerre kivetett forgási sebességgel. Itt a Joukowsky-feltétel keringést hoz létre, amely arányos a szárnytól távol eső relatív sebességgel. Az emelés ekkor arányos a sebesség négyzetével, és ezért lehetséges a kifejezés klasszikus formában történő megfogalmazása a megfogalmazásban, anélkül, hogy a dinamikus nyomás bármilyen módon beavatkozna ebben az erőben, amely merőleges az áramlás általános irányára.

Véges szárnyfesztávolságú szárny emelése

Véges szárnyfesztávolságú szárny esetében a fent leírt örvényvonal nem állhat meg hirtelen a szárnycsúcsnál. Valójában az intradók túlnyomása az extradókhoz képest a szárny végén kiegyenlítődéshez vezet a magas nyomások keresztirányú áramlásán keresztül az alacsony nyomások felé, vagyis az intradókon kívül, a felső részen pedig a belső felé. felület.

Ezek a mozdulatok örvényeket indítanak el, amelyek lefelé fejlődnek, csökkenő intenzitással, amikor eltávolodnak a szárny végeitől. A hátsó éltől bizonyos távolságban ez az örvényrendszer a szárnycsúcs-örvények két vonalára redukálódik. E két vonal és a szárnyhoz kapcsolt örvénysor kombinációja alkotja a patkóörvényrendszert .

Párás légkörben a relaxáció, amely ezen örvények eredetét okozza, a levegő vízzel telítődését okozhatja, az ebből fakadó elmúló kondenzáció néha a szárny végéből kiinduló örvényeket mutathatja ki ( ún. „Röpke” kontrail ). Az ilyen nyomvonalak kialakulását elősegítő feltétel a magas előfordulási gyakoriság, amely szűk mozgások (műrepülés vagy bemutató repülések) vagy alacsony sebesség mellett (például egy repülőgép leszállási fázisa) tapasztalható.

Húzza meg az emelő szárnyat

A lift létre a lazac szárnyai örvények . Ez a jelenség az alsó és a felső felület közötti nyomáskülönbségből származik. Ez az ébresztési turbulencia energiát fogyaszt, ami indukált ellenállást eredményez (emeléssel).

A szárny végeinél ez a kitérés és a zavartalan levegő közötti folytonosság - a szárny mindkét oldalán - a szélső örvények eredetéhez vezet .

A szárnyak célja ezeknek az örvényeknek a csökkentése .

Ehhez az emeléshez kapcsolódó húzáshoz célszerű hozzáadni a viszkozitással kapcsolatos súrlódási ellenállást a határrétegben .

Emelés mérése

Az emelés a Michell dugó tapasztalatának köszönhetően mérhető .

Megjegyzések

1. Repülőgép szárnya esetében a referenciafelület általában a vízszintes síkra vetített felület, beleértve a törzs szárnyakat összekötő részét is.
2. Az incidencia (vagy támadási szög) az a szög, amelyet a felület profiljának referencia akkordja és a relatív szélsebesség-vektor alkot. Első közelítésként a C z vagy a C L által megnevezett emelési együttható megegyezik azzal, ahol a támadási szög van (lásd: A vékony profilok elmélete ).VSL=2πα{\ displaystyle C_ {L} = 2 \ pi \ alfa}α{\ displaystyle \ alpha}
3. Egyenlő gyakorisággal a Cz valóban változhat a sebességgel (különösen a Mach-számmal és a Reynolds-számmal).
4. nem feltétlenül függőleges.
5. közötti érték 10 és 15 ° közös nagyságrenddel szimmetrikus profil.
6. A tényleges méretarány eltérhet a geometriai méretaránytól, mivel figyelembe veszi azokat a tényezőket, amelyek módosítják az emelés szárnyfesztávolságú eloszlását (például törzsek, motororsók, véglemezek stb.).
7. Gyakran tévesen tekintik az indukált ellenállás okának, amikor ezek csak az emelés miatti elhajlás következményei (Newton reakciója), és ha mégis hozzájárulnak az indukált ellenálláshoz, akkor ez csak marginálisan.

Hivatkozások

1. Stephen Vogel, "Összehasonlító biomechanika: az élet fizikai világa", a Liftről, 225. és 252. oldal "Röviden, a tolóerő egyik összetevője lesz ...".
2. (in) Newton harmadik mozgástörvénye - a NASA .
3. Tudományegyetem Online .
4. David Anderson, a Fermi Nemzeti Gyorsító Laboratórium és Scott Eberhardt, korábban a Washingtoni Egyetem Repüléstechnikai és Asztronautikai Tanszékén, jelenleg a Boeing Company-nál [1] vagy [2] .
5. NASA honlapja .
6. Ezt az animációt nem viszkózus folyadékban végezzük. Viszkózus folyadékkal az áramlás határréteget eredményez a profilon, valamint örvényeket eredményez a hátsó él mögött.
7. (in) "  Krzysztof Fidkowski | Hogyan repülnek a repülőgépek  ” [videó] (megtekintés 2020. január 29. ) . Összegzés: sok magyarázatot terjesztettek elő, mindegyikük megkérdőjelezhető. Összegzésként elmondható, hogy az emelés a levegő lefelé terelésével érhető el. A felső felület hozzájárul ehhez az eltéréshez: ennek megmagyarázásához figyelembe kell venni a levegő viszkozitását és a hátsó él lényeges jelenlétét  ; lásd a Kutta-Jukowski-tételt és a Kutta-feltételt  : „Amikor az intradók alatt áthaladó levegő eléri a hátsó évet, akkor ezt meg kell kerülnie, hogy a felső leállási pont felé menjen. A görbület nulla sugara miatt a sebességnek lokálisan végtelennek kell lennie. ".
8. Szerző Fred Monsonnec , „  Portance 1/3  ” , a Foilersről! ,2011. december 7(megtekintés : 2020. január 29. )

Függelékek

Kapcsolódó cikkek

• Spoiler (repülés)
• Hosszirányú stabilitás (repülés)
• Kutta-Jukowski tétel # Kutta feltétel: „Amikor az intradók alatt áthaladó levegő eléri a hátsó évet , meg kell kerülnie azt, hogy a felső leállítási pontra menjen. A görbület nulla sugara miatt a sebességnek lokálisan végtelennek kell lennie. "
• Szárny (repülés)

Külső linkek

• "Hogyan repülnek a gépek", Anderson és Eberhardt cikkének fordítása A pierre.rondel.free.fr oldalon
• (en) Mi az a lift? - A NASA honlapján
• en) Alkalmazott aerodinamika: digitális tankönyv - Desktop Aeronautics, Inc.,2007. január
• en) "A repülés fizikai leírása", David Anderson és Scott Eberhardt
• en) Repülőlapok és légáramlás (a Se hogyan repül 3. fejezete)