Grundläggande aerodynamik, del 3/aerodynamikovingar del... · 2006. 11. 15. · Avro Vulcan English Electric Lightning 6 MTM175 – Allmän flygteknik Vingar, forts. Begrepp: Spännvidd

1

1MTM175 – Allmän flygteknik

Grundläggande aerodynamik, del 3

Vingar - planformVingens virvelsystemDownwash/nedsvepMarkeffektSidoförhållandets inverkanVingplanform - stall


Vingar

Vår betraktelse hittills av 2D-natur (vingprofiler)Dock är vingar ändliga, varför ett 3D synsätt blir nödvändigtNågot mer komplicerat där, förutom vingprofilen, även vingens planform spelar stor roll

2


Vingar, forts.

Med planform menas hur vingen ser ut rakt uppifrånOlika planformer: Rak vinge, pilvinkel, deltavingeDet är ett antal faktorer, förutom vingprofilen, som styr utformningen av vingen m a p användningsområde (start-/landningssträcka, manöverbarhet, hastighet etc.)Ex. varför har segelflygplan långa smala vingar?


Planform

Exempel: Rak vinge (låg fart, enkel att bygga)

Piper PA-28

Dornier Do-27

3


Planform, forts.

Exempel: Pilvinkel och deltavinge(Hög fart, trans-/supersonisk)

B737

AvroVulcan

English ElectricLightning


Vingar, forts.

Begrepp:Spännvidd – avstånd mellan ving-spetsarnaSidoförhållande(Aspect Ratio, AR)

eller

AR dyker upp i avsnittet prestanda

vingareaspännvidd

medelkordaspännvidd 2

==AR

Sb2

=AR

4


Vingens virvelsystem

För att förstå planformens inverkan krävs att vi tittar på den3-dimensionella strömningen kring en vingeVilket för oss in på vingens virvelsystemBygger på teori från slutet av 1800-talet (Lanchester)Innebar stort genombrott i förståelsen kring aerodynamik

Virvelteorin säger att:En virvel (eng. vortex) kan bara beståom den antingen begränsas av väggareller bildar en sluten ring (jmf. rökring)


Vingens virvelsystem, forts.

Först: Vingcirkulation (”Wing bound vortex”)En uppdelning av hastighetsfältet runt vingen ger följande:

Betyder att strömningen kringvingen kan ses som en cirkulation(OBS! Endast teoretiskt!)

1.

2.

3.

4.

5



Vingens virvelsystem (”Wing vortex system”)Utgörs av följande delar:

Wing bound vortex (cirkulationen)Trailing vortices (ändvirvlar)Starting vortex (startvirvel)

Vingcirkulationen är rent teoretiskDe övriga existerar i verkligheten

Ändvirvlarna kan ibland blir synligavid rätt luftfuktighet/temp, hög lastfaktor,stort lyftkraftsuttag



Exempel ändvirvlar (”trailing vortices”)

Ej att förväxlas med de ”K-strimmor”som flygplan ibland lämnar efter sig

6



Runt vingen råder det (enl. tidigare) stora tryckskillnaderLågt tryck på ovansidan får luften attströmma inåtHögt tryck på undersidan får luften attströmma utåt mot vingspetsarna

Detta ger luften en vridande rörelselängs med vingens bakkantVid vingspetsarnabildas koncentrerade virvlar



En bit bakom flygplanet går vingens ”hela” virvel ihop till ett partydliga ändvirvlar

Cirkulationen runt vingen tillsammans med ändvirvlarna brukar även kallas för ”Horseshoe vortexsystem” (pga. dess utseende)

7



Ändvirvlarna bakom större flygplan är mycket energirikaDessa kan ligga kvar i flera minuter innan de dämpas utHar lett till många haverier där bakomvarande flygplan flugit in i ändvirvlarna på ett framförvarande flygplan (”wake turbulence”)

Ex: En Boeing 747 på 300 ton genererar hyfsat stora ändvirvlarAtt landa med en liten Cessna efter en sådan = inte så lyckatDärför har man viss separation mellan flygplan vid landning (innebär visst problem i sig pga. tidsförluster)

Virvlarna är fullt hörbara om man ex. befinner sig under ett landande flygplan



Enl. teorin: begränsas av väggar eller sluten ringDet som fattas i vingens virvelsystem är därför startvirvelnStartvirveln uppstår vid start, då vingarna börjar generera lyftkraft (ökad α och ökad CL)

Virveln blir kvar ”på backen”I teorin kvar tills flygplanettar mark (cirkeln sluten)

Mer startrotation produceras och efterlämnas varje gång ändring av CLskerVid landning återkommer startvirveln med då som landnings-virvel med motsatt rotation (då α och CL = 0)Det fysikaliska förloppet är fullbordat!

Startvirvel

8


Downwash/nedsvep

Ändvirvlarna påverkar i stor utsträckning hela strömningsbilden runt flygplanet (speciellt vingen och stjärtpartiet)

Har därför inverkan på lyftkraftoch motstånd hos flygplanet

Luften bakom vingen drasnedåt av ändvirvlarna – gerupphov till det som kallas”downwash”/nedsvep

Ändvirvlarna påverkar ävenluften framför vingen


Downwash/nedsvep, forts.

Ändvirvlarna ändrar den lokalaströmningsbildenNedsvepet orsakar en minskningav effektiv α, dvs. minskat CL

α måste ökas för att kompenseraLyftkraften ”tiltas” bakåt –komposanten som uppstår kallasför ”trailing vortex drag”, el. induceratmotstånd

Nedsvepet påverkar även flygplanetsbakkropp (stabilisator+fena) ochändrar effektiv α där också

9


Downwash/nedsvep, forts.

Ex. på placering av stabilisator för att undgå nedsvepet från vingen

MD-80

C-17


Markeffekt

Fenomen som uppstår när flygplanet flyger nära marken (ca½ spännvidden)Marken förhindrar till viss del bildandet av ändvirvlar och minskar nedsvepet bakom vingenGer minskat inducerat motstånd

10


Sidoförhållandets inverkan

Fysikaliskt: Om samma lyftkraft ska genereras med en kort vinge (liten spännvidd) som med en lång (stor sp.vidd) så fordras större cirkulationDetta leder även till starkare ändvirvlar, dvs. ökat inducerat motståndSlutsats: Vill man flyga snålt = långa smala vingar, stort ARNackdelar… Hållfasthet, stort tröghetsmoment, begränsning i hastighet


Lyftkraftens variation över spännvidden

Lyftkraftens variation över spännvidden avgör hur effektiv vingen är (främst m a p motstånd)Variationen styrs till stor utsträckning av hur kordan varierar längs vingenPå en rak rektangulär vinge är lyftkraften jämnt fördelad längs spannetGer att nedsvepet som störst vid vingspetsarna

Görs vingen istället något avsmalnande ökar lyftkraften mitt på vingenGer mer jämn fördelning av nedsvepet

11


L:s variation över spännvidden, forts.

Enl. teoretisk analys: Minsta möjliga inducerat motstånd fås då nedsvepet är konstant längs spannetVidare: Konstant nedsvep fås med en elliptisk fördelning av LElliptisk fördelning = elliptisk vinge


L:s variation över spännvidden, forts.

Dock vissa problem med elliptisk vinge; tillverkning, hållfasthetAtt ge vingen en avsmalnande form funkar lika bra (samt är billigare och enklare att bygga)

Elliptisk lyftkraftsfördelning kan uppnåsgenom:

Rak mittsektion som avsmalnar motvingspetsenVariera infästningsvinkeln längs spannetVariera vingens välvning längs spannet

Elliptisk fördelning dyker upp påavsnittet om prestanda

12


Vingplanformer - stall

Normalt eftersträvas stall vid vingroten – lugnt förlopp och lätt att återhämta flygplanetSker den istället vid vingspetsen; inte lika kulDen stallade vingen tappar lyftkraft och sjunkerEffektiva α ökar vilket förvärrar stallenLeder till att flygplanet börjar rolla – uppåtgående vinge får därmed minskad α

Den stallade vingspetsen skaparsamtidigt ett stort motstånd =får flygplanet att börja giraLeder till spinn


Vingplanformer - stall

Rak vinge: Störst nedsvep vid vingspetsarna = mindre effektiv αVingroten stallar därför först

En avsmalnande vinge tenderar att stalla vid vingspetsen förstKan förbättras genom tordering (vridning) av vingenPåverkar dock lyftkraftsfördelningen. Kompromiss!

Även vingar med pilvinkel tenderar attstalla vid vingspetsen först

En nackdelen med pilformadevingar är att lyftkraftscentrum vidstall flyttas framåt = nos-upp-läge

13


Vingar med pilvinkel

Vid ökad hastighet uppstår problem med kompressibilitet, tryck-centrumvandringar på vingarna mmStrömningshastigheten är som störst på vingarna = där uppnås Mach 1 först (en bra bit innan själva flygplanet gör det)Lösningen är att förse vingarna med pilvinkel

Endast komposanten vinkelrätt mot vingenär avgörande för lyftkraften

Nackdel: Den vinkelräta komposantengäller även vid lägre hastigheter

Documents

Grundläggande aerodynamik, del 3/aerodynamikovingar del... · 2006. 11. 15. · Avro Vulcan English Electric Lightning 6 MTM175 – Allmän flygteknik Vingar, forts. Begrepp: Spännvidd