Розподіл тиску по профілю крила
опис
При обтіканні твердого тіла повітряний потік піддається деформації, що призводить до зміни швидкості, тиску, температури і щільності в струмках потоку. Таким чином, близько поверхні обтічного тіла створюється область змінних швидкостей і тисків повітря. Наявність різних за величиною тиску біля поверхні твердого тіла призводить до виникнення аеродинамічних сил і моментів. Розподіл цих сил залежить від характеру обтікання тіла, його положення в потоці, конфігурації тіла. Крило ж має удобообтекаемую несиметричну форму. Тобто характер обтікання повітрям верхньої і нижньої поверхонь крила безпосередньо створює підйомну силу. Як це відбувається? Розглянемо профіль крила в потоці повітря:
рис.1
Тут лінії течії елементарних цівок повітря позначені тонкими лініями. Профіль до ліній течії знаходиться під кутом атаки а - це кут між хордою профілю і незбурених лініями течії. Там, де лінії течії зближуються, швидкість потоку зростає, а абсолютний тиск падає. І навпаки, де вони стають рідше, швидкість течії зменшується, а тиск зростає. Звідси виходить, що в різних точках профілю повітря тисне на крило з різною силою. Різницю між місцевим тиском у поверхні профілю і тиском повітря в невозмущенном потоці можна представити у вигляді стрілок, перпендикулярних контуру профілю, так що напрямок і довжина стрілок пропорційна цій різниці. Тоді картина розподілу тиску за профілем для кута атаки 6 градусів буде виглядати так:
розподіл тиску за профілем крила для середнього перетину
(Тиску віднесені до їх динамічної величиною)
рис.2
Тут добре видно, що на нижній утворює профілю є надлишковий тиск - підпір повітря. На верхній же, - навпаки, розрядження. Причому воно більше там, де вище швидкість обтікання. Примітно тут те, що величина розрядження на верхній поверхні в кілька разів перевищує підпір на нижній. Векторна сума всіх цих стрілок і створює аеродинамічну силу, з якою повітря діє на рухоме крило.
Зупинимося на природі виникнення розрядження у верхній частині крила. У повітря є в'язкість, сили в'язкого терня викликаю прилипання середовища у поверхні обтічного, тобто утримують частинки середовища в стані спокою, не дивлячись на наявність градієнта тиску в напрямку потоку рідини, Звідси випливає, що поблизу поверхні тіла сили в'язкого тертя того ж порядку, що і сили різниці тисків. Щоб це було так, швидкість рідини повинна дуже швидко наростати при видаленні від поверхні тіла. Це швидке наростання відбувається в тонкому приповерхневому шарі рідини, званому прикордонним шаром. Теорія прикордонного шару була створена в основному Л. Прандтлем. Нагадаємо тепер, що в прикордонному шарі швидкості частинок повітря зростають при видаленні від поверхні крила. Завдяки цьому рух в прикордонному шарі вихровий, а тому містить обертання. Зверху крила обертання відбувається по, а знизу - проти годинникової стрілки (якщо потік рідини натекает зліва направо). Припустимо, що в результаті відриву якась маса повітря, раніше знаходилася в прикордонному шарі знизу від крила, віднесена потоком у вигляді одного або декількох вихорів. Володіючи обертанням, ця маса віднесе і пов'язаний з нею момент кількості руху. Але загальний момент кількості руху повітря не може змінитися. Якщо відрив прикордонного шару зверху від крила не сталося (рис.3), то для збереження моменту кількості руху повітря в зовнішньому потоці повинен почати обертатися навколо крила за годинниковою стрілкою. Іншими словами, в зовнішньому потоці навколо крила повинна виникнути, циркуляція швидкості повітря а за годинниковою стрілкою (рис.4), накладається на основний потік. Швидкість потоку під крилом зменшиться, а над ним - збільшиться. До зовнішнього потоку можна застосувати рівняння Бернуллі. З нього випливає, що в результаті циркуляції тиск під крилом зросте, а над ним - зменшиться. Це розрядження. Виникла різниця тисків дуже сильно проявляється підйомній силі. З картини розподілу тиску (рис.2) видно, що левова частка (2/3) підйомної сили утворюється не з підпору на нижньої твірної профілю, а з розрядження на верхній.
У наближенні нескінченно тонкого профілю крила величина підйомної сили визначається за формулою Жуковського:
, де ρ-щільність середовища, l-довжина крила, V-швидкість потоку, Г -ціркуляція швидкості навколо профілю.
освіту вихору в задній частині крила
рис.3
утворення вихрів у верхній частині крила
рис.4
Однією з оределяется величин задають характер розподілу тиску за профілем є кут атаки α. Розглянемо графіки розподілу тиску для різних кутів атаки:
рис.5
Ключові слова
розділи наук
Використовується в науково-технічних ефектах
Використовується в областях техніки і економіки
Використовуються в науково-технічних ефектах спільно з даними ефектом природничо ефекти
1 
Критерій подібності Кнудсена (Критерій подібності Кнудсена) 1 
аеродинамічний якість (Аеродинамічний якість) 1 Критерії подібності. число Маха (Критерії подібності. Число Маха) 1 
Надзвуковий прикордонний шар при обтіканні тіла потоком з великим числом М (Надзвуковий прикордонний шар при обтіканні тіла потоком з великим числом М) 1 
Відрив прикордонного шару від поверхні (Відрив прикордонного шару від поверхні) 2 Закінчення газу з надзвуковою швидкістю в область, де тиск менше тиску в струмені (Закінчення газу з надзвуковою швидкістю в область, де тиск менше тиску в струмені) 1 Виникнення різкого збільшення тиску, швидкості, температури і зменшення швидкості течії газу в надзвуковий області (Точка розгалуження струменів, критична швидкість потоку при обтіканні) 1 Загальні умови переходу від дозвукового течії до надзвукового і назад (Умови переходу від дозвукового течії до надзвукового і назад) 2 Розподіл тиску по профілю крила (Розподіл тиску по профілю крила) 2 
Вихровий рух газу (Вихровий рух газу) 2 Опір руху тіла з боку оточуючої його рідини або опір руху рідини, викликане впливом стінок труб, каналів і т.д. (Гідродинамічний опір) 1 Струмінь - форма перебігу рідини, при якій рідина (газ) тече в навколишньому просторі, заповненому рідиною (газом) з відмінними від струменя параметрами (швидкістю, температурою, щільністю, складом тощо) (Перебіг в надзвуковому струмені) 1 Поширення ударних хвиль (Поширення збурень, що містять розриви щільності, тиску і швидкості поширення, в нелінійних середовищах) 1 Різка зміна тиску в рідині (Гідравлічний удар) 1 Прискорення ламинарного повітряного потоку при проходженні через плавне звуження (Інжекції ефект) 1 
Тертя при відносному русі дотичних тіл (Тертя ковзання) 2 Створення моменту сили (Створення моменту сили) 2 
Ефект передачі моменту сили за допомогою твердого тіла (Механічного важеля ефект) 1 Кінематична характеристика перебігу рідини або газу, що служить мірою завихренности течії (Циркуляція швидкості) 1 Зростання товщини прикордонного шару з ростом швидкості (Зростання товщини прикордонного шару з ростом швидкості) 1 Товщина прикордонного шару і товщина витіснення (Товщина прикордонного шару і товщина витіснення) 1 Турбулентний плин в прикордонному шарі (Турбулентний плин в прикордонному шарі) 1 Ламінарний плин в прикордонному шарі (Ламінарний плин в прикордонному шарі) 1 Перебіг ідеальної рідини (Ідеальна рідина) 1 центр тиску (Центр тиску) 1 ефект аеропружності (Ефект аеропружності) 1 
Пружна деформація вигину твердих тіл (Деформація вигину) 1 
Тиск при контакті (Тиск при контакті)
застосування ефекту
Товщина профілю - впливає на величину лобового опору. Збільшення товщини збільшує опір, в тому числі на нульовий підйомній силі. Побічно, збільшення товщини призводить до зриву обтікання на великих кутах атаки, ніж у тонких профілів. Збільшення товщини від малих значень до 12 - 15% збільшує максимальне значення Су. Подальше збільшення товщини його знижує. Після 20% різко зростає Сх.
Радіус заокруглення носика профілю - пов'язаний з товщиною профілю. Впливає в першу чергу на поведінку профілю на критичних кутах атаки. Побічно впливає на лобове опір профілю. Великі значення радіуса прийнятні тільки на невисоких числах Re.
Кривизна профілю - впливає на асиметрію властивостей. Збільшення кривизни призводить до збільшення Су на порівняно невеликих числах Re. При зростанні Re кривизна профілю для збереження прийнятних значень лобового опору повинна зменшуватися.
Для забезпечення високої ефективності профілю в великому діапазоні швидкостей на крилі необхідно використовувати механізацію, яка змінює в польоті ефективну кривизну профілю для різних швидкостей.
реалізації ефекту
У деяких випадках, найчастіше з конструктивних міркувань, спрощують контури профілю до примітиву, коли його утворюють - прямі лінії. Іноді - вони виправдані, в інших випадках - ні. Для наочності наведемо по одному прикладу таких випадків.
В останні пару років з'явився новий клас авіамоделей - F3AI (I тут від Indoor - внутрішньо-кімнатні) пілотаж всередині приміщень. Літаки цього класу мають дуже маленьку навантаження на крило і літають ні вкрай низьких числах Рейнольдса. Багато з них мають крило у вигляді тонкої прямої пластини з депрона з вугільними передньої і задньої крайками. Такий профіль має мале значення максимального Су. Однак для вкрай малих навантажень на крило це не важливо. Зривні характеристики профілю теж жахливі. Політ літака більше нагадує прохань бабки, ніж політ лелеки. Проте, такі літаки показують 3Dпілотаж вельми високого рівня. Це - приклад виправданого спрощення.
Деякі початківці в прагненні спростити виготовлення крила тренувальної моделі зводять його профіль до примітивного трикутнику, де дві вершини - гострі передня і задня кромки, а третя - верхня полиця лонжерона. Нижня полиця лежить на плоскій нижній поверхні крила. Що може бути простіше? Однак літати на такому крилі - нецікаво. Минулого літа, спостерігаючи за муками такого горе-конструктора, шкода ставало його, а літак, - на п'ять злетів - дві посадки. Решта посадки - «цеглою». До кінця польотного дня від моделі, і до речі - мотора, залишилися жалюгідні дрова. Такий профіль має низьке значення Су на граничних кутах атаки і провокує до того ж лавиноподібний зрив потоку. Модель просто летить стрімголов до землі. Це - приклад невиправданого спрощення.
Як було зазначено вище, оптимальний той чи інший профіль крила тільки при цілком певних числах Re. Чим ширше у моделі діапазон польотних швидкостей, тим важче оптимізувати профіль її крила. З усіх видів крилатих моделей, один з найбільших діапазонів польотних швидкостей у кросових радіопланеров F3B. У вправі на тривалість цього планеру вигідно летіти якомога повільніше, особливо в атермічную погоду. Швидкість польоту не перевищує 7 - 8 м / сек. У вправі на швидкість планера розганяються до швидкостей в 40 - 45 м / сек. Для розширення діапазону чисел Re широко використовують механізацію крила. На кросових планерах уздовж всієї задньої кромки крила розміщена механізація, - на кореневої половині консолей - закрилки, на кінцевий - елерони, змікшованого, як правило, з закрилками. В результаті пілот має можливість в польоті міняти ефективну кривизну профілю крила за допомогою механізації, оптимізуючи її під необхідний режим польоту. Використовується як правило три, рідше чотири режими встановлені в процесі регулювання і перемикаються в польоті пілотом. У стартовому режимі кривизна максимальна. Це робиться для збільшення максимально можливого значення Су, яке визначає швидкість затягування на леєрах планера щодо буксировщика леера. В кінцевому підсумку це визначає висоту старту при обмеженою правилами довжині леера. Сх при цьому значний, а аеродинамічний якість невелика. Але це і не важливо, оскільки енергія надходить ззовні - від буксировщика. Круті пілоти використовують при старті два встановлені режими - на початку і в кінці з різною кривизною профілю. На режимі ширяння механізація повертає кривизну профілю до вихідної, де його аеродинамічну якість максимально. Для швидкісних режимів механізація злегка піднімає задню кромку крила, створюючи мінімальну еквівалентну кривизну профілю. Сх приймає своє найменше значення.
література
1. Сивухин Д.В. Загальний курс фізики т.1 механіка.
2. Т.фон Карман. Аеродинаміка. Вибрані теми в їх історичному розвитку. Іжевськ РХД 2001.
3. Тітьенс. Гідро- і механіка.
Що може бути простіше?
