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Flugzeugflügel und ihr Design sind für die Definition der Leistungsmerkmale eines Flugzeugs von entscheidender Bedeutung. Der Deltaflügel ist aufgrund seiner hervorragenden Leistung im Transson- und Überschallflug ein beliebtes Design in Hochgeschwindigkeitsflugzeugen.
Der Deltaflügel hat eine kleine Streckung, die definiert ist als die Flügelspannweite geteilt durch die durchschnittliche Schnurlänge. Bei einem Delta-Wing ist dies die Hälfte der Wurzelschnurlänge. Andere gängige Flügeldesigns, wie der rechteckige Flügel und der gepfeilte Flügel, haben höhere Streckungsverhältnisse.
Der Deltaflügel hat auch einen hohen Sweep-Winkel, der als Winkel zwischen der 25%-Sehnenlinie und der Querachse definiert ist. Diese Flügeleigenschaften reduzieren den Luftwiderstand bei hohen Unterschall-, Transschall- und Überschallflugregimen. Wichtig ist, dass der Deltaflügel im Vergleich zu Flügeln mit hoher Streckung einen hohen Strömungsabrisswinkel hat.
In der Aerodynamik ist der Strömungsabrisswinkel der Punkt, an dem der Anstellwinkel zu hoch ist und der Auftrieb abnimmt. Der hohe Strömungsabrisswinkel eines Deltaflügels ist auf den erhöhten Auftrieb durch einen Wirbel an der Vorderkante über dem Flügel zurückzuführen, der als Wirbelauftrieb bezeichnet wird. Wirbelauftrieb tritt auf, wenn ein Deltaflügel höheren Anstellwinkeln ausgesetzt ist, was dazu führt, dass die Strömungstrennung an der Vorderkante des Flügels stattfindet, anstatt stromabwärts in der Nähe der Hinterkante, wie es bei einem rechteckigen Flügel der Fall wäre.
Durch das Aufrollen der Vorderkantenwirbel wird ein geringer Druck auf die Oberseite des Flügels induziert. Diese Druckdifferenz erhöht den Auftrieb. Diese Wirbel beginnen an der Flügelspitze und verlaufen stromabwärts. Irgendwann platzten sie, der sogenannte Wirbelabbau, aufgrund des hohen ungünstigen Druckgradienten.
Sobald der Wirbel zusammenbricht, kann der Wirbel keinen niedrigen Druck mehr erzeugen. Bei niedrigen Anstellwinkeln erfolgt der Wirbelaufschlag stromabwärts der Hinterkante. Mit zunehmendem Anstellwinkel verschiebt sich jedoch der Ort des Wirbelzusammenbruchs stromaufwärts bis zu einem Punkt, an dem der Zusammenbruch über den größten Teil der Flügeloberfläche auftritt. Dies reduziert den Auftrieb und führt dazu, dass der Flügel abreißt.
In diesem Experiment werden wir einen Wassertunnel mit Farbstoff verwenden, um diese Wirbelmuster auf einem Deltaflügelmodell zu visualisieren und den Ort des Wirbelaufbruchs bei verschiedenen Anstellwinkeln zu verfolgen.
Um dieses Experiment durchführen zu können, benötigen Sie Zugang zu einem Wassertunnel. Besorgen Sie sich zunächst drei 500-ml-Behälter und füllen Sie jeden mindestens zur Hälfte mit Farbstoff. Verwende einen Behälter für blauen Farbstoff, einen anderen für grünen Farbstoff und den letzten für roten Farbstoff.
Das Delta-Flügel-Modell, das in unserem Experiment verwendet wurde, hat bereits Schläuche, die mit den drei Farbstoffbehältern verbunden sind. Er verfügt außerdem über drei Farbstoffinjektionshähne, die einen Farbstoff mit einer anderen Farbe in drei verschiedenen Regionen des Flügels verteilen. Die Entfernungsmessungen werden auf dem Flügel mit 1 cm großen Häkchen markiert. Der Deltaflügel sollte bereits an einer C-Strebenstütze befestigt sein. Verbinden Sie es mit Schrauben mit dem Tunnel und halten Sie den Gierwinkel so nahe wie möglich bei 0.
Sobald der Deltaflügel an Ort und Stelle ist, füllen Sie den Wassertunnel mit Wasser. Stellen Sie sicher, dass Sie ein Papier mit Teilstrichen anhängen, um eine Referenz für die Seitenansicht zu erhalten. Positionieren Sie dann eine Kamera, um die Draufsicht auf den Flügel aufzunehmen. Positionieren Sie eine zweite Kamera, um die Seitenansicht aufzunehmen. Drücken Sie nun auf jeder Kamera auf "Aufnahme", um Aufnahmen von der Farbstoffinjektion und den nachfolgenden Wirbeln zu machen.
Stellen Sie den Anstellwinkel manuell auf 0 ein, indem Sie den Winkel an der C-Strebe anpassen. Stellen Sie dann die Strömungsgeschwindigkeit des Wassertunnels auf 4 Zoll/s ein. Sobald sich der Durchfluss stabilisiert hat, versorgen Sie die Farbstoffbehälter mit der Handpumpe mit Druck.
Beobachten Sie die Farbstreifen und stellen Sie dann die Farbflussrate mit den drei Knöpfen ein, um einen kontinuierlichen Streifen zu erzeugen. Die gleichzeitige Anwendung aller drei Farben ermöglicht es uns, die Wirbelwechselwirkungen in verschiedenen Regionen des Flügels zu betrachten. Beobachten Sie die Wirbelwechselwirkungen und identifizieren Sie die Wirbelaufrollung und den primären Wirbelkern.
Nachdem du mindestens 10 Sekunden des Wirbels aufgezeichnet hast, ändere den Anstellwinkel auf fünf Grad. Warten Sie, bis sich die Strömungs- und Streifenlinien stabilisiert haben, und zeichnen Sie die Wirbel mindestens 10 s lang auf.
Wiederholen Sie die Messung, indem Sie den Anstellwinkel um 5? in Schritten bis zu 55?. Nehmen Sie jedes Mal mindestens 10 s des Schlierenwirbelmusters auf.
Wenn das Wasser zu trüb wird und die Schlierenlinien stumpf erscheinen, schließen Sie die Farbzufuhr und schalten Sie den Tunnel aus. Lassen Sie das Wasser ab und ersetzen Sie es durch frisches Wasser, bevor Sie fortfahren.
Wenn alle Versuche abgeschlossen sind, schalte die Kamera aus und schließe die Farbstoffzufuhr. Schalten Sie dann den Tunnel aus und lassen Sie das Wasser ab. Achte darauf, die Farbe vom Tunnel abzuwaschen, wenn du fertig bist.
Aus dem Experiment können wir Wirbelzusammenbrüche bei verschiedenen Anstellwinkeln identifizieren. Der Abstand von der Flügelspitze bis zum Wirbelzusammenbruch, der als LB bezeichnet wird, wird wie gezeigt gemessen. Der Einfachheit halber beziehen wir uns auf diesen Abstand als Prozentsatz der Sehnenlänge von der Hinterkante.
Schauen wir uns nun den Abstand von der Hinterkante bis zum Wirbeldurchbruch für jeden Anstellwinkel an. Wie hier gezeigt, verschiebt sich die Aufschlüsselungsstelle des Wirbels mit zunehmendem Anstellwinkel allmählich stromaufwärts. Wenn der Anstellwinkel 40° beträgt, erfolgt der Wirbelaufbruch bei 96 % der Sehnenposition von der Hinterkante. Mit anderen Worten, fast bis zum Scheitelpunkt des Flügels. In dieser Fluglage erlebt der Deltaflügel einen vollen Strömungsabriss. Mit anderen Worten, es erfährt einen totalen Auftriebsverlust.
Zusammenfassend haben wir gelernt, wie die niedrige Streckung und der hohe Schwenkwinkel eines Deltaflügels zu seinem Wirbelauftrieb und verzögerten Strömungsabriss beitragen. Anschließend beobachteten wir das Phänomen der Wirbelströmung an einem Modelldeltaflügel in einem Wassertunnel und nutzten die Wirbelaufschlüsselung, um den Strömungsabriss abzuschätzen.
