8.3: 翼挙動:クラークY-14翼上の圧力分布

1. テストセクションの上部カバーを取り外して、クラークY-14モデル(弦の長さ、c = 3.5インチ)を取り付けます。テストセクションは 1 フィート x 1 フィートで、風洞は最大対気速度 140 mph を維持できる必要があります。
2. アルミ製のクラークY-14モデルをテストセクション内のターンテーブルに取り付け、ポート#1が上流に面するようにします。トップカバーを交換してください。モデルは風洞試験部の床と天井の両方に接触しているので、翼の周りに3Dフローが発生しないことに注意してください。
3. 1 ~ 19 とラベル付けされた 19 本の圧力管を、それぞれマノメーター パネルの対応するポートに接続します。Clark Y-14 モデルのポートは、ポート 1: x/c = 0 (右端)、ポート 2 および 11: x/c = 5%、ポート 3 および 12: x/c = 10%、ポート 4 および 13: x/c = 20%、ポート 5 および 14: x/c = 30% ポート 6 および 15: x/c = 40%、ポート 7 および 16: x/c = 50%、ポート 8 および 17: x/c = 60%、ポート 9 および 18: x/c = 70%、ポート 10 および 19: x/c = 80% (図 2)。マノメーターパネルは、着色された油で満たされ、水インチの卒業でマークされた24の列を持っている必要があります。
4. ターンテーブルを回転させて攻撃角度が0°にします。
5. 時速 90 マイルで風洞を実行し、圧計を読み取って 19 回の圧力測定値をすべて記録します。
6. 4と8°の攻撃の角度については、手順4と5を繰り返します。

翼型とは、航空機に揚力を発生させる2次元の翼部分のことです。翼にはさまざまな形状がありますが、それらはすべて同じ特徴で記述されています。リーディングエッジは、翼の前面にある最大曲率のポイントです。同様に、トレーリングエッジは、翼の後部で最大曲率のポイントです。

コード線は、前縁と後縁を結ぶ直線です。弦の長さ c は、この弦線の長さであり、他の方向の寸法を弦の長さのパーセンテージとして表すために使用されます。

ここでは、クラークY-14翼に注目しますが、これは翼弦の長さが14%で、弦材の30%から後縁まで下面が平らです。さまざまな迎え角で、翼は接近する空気圧に対して上面に低い圧力を、下面に高い圧力を発生させます。

ベルヌーイの原理によれば、この圧力差は、翼の上部領域と下部領域の間の速度の違いの結果であり、これは曲面と相互作用する空気分子によって引き起こされます。上面の下側の圧力領域は、下面の高圧領域よりも速度が速くなります。

翼の表面に平行なせん断力を無視すると、全体の圧力力が揚力を発生させます。この関係を使用して、翼上の任意の点の圧力係数 Cp を定義できます。圧力係数は無次元の数値であり、流れ場全体の相対圧力を表します。Pは絶対圧力、P無限大は自由流圧力、rho無限大とV無限大はそれぞれ自由流の密度と速度です。

前縁の位置を除き、Cpによって決定される圧力方向は、低迎角での揚力とほぼ同じ方向を向いています。したがって、この関係を使用して、生成された揚力を物体の周囲の流体の流れに関連付ける無次元揚力係数CLを計算できます。ここで、c は弦の長さ、x は水平座標位置で、0 をリーディング エッジとします。

この実験では、19個の圧力タップを持つ翼の表面の圧力分布を解析します。各圧力測定値は、液体圧力計を使用して測定されます。風洞内で翼をさまざまな迎角で気流にさらすことにより、圧力分布と揚力を測定します。

この実験では、試験セクションが 1 フィート x 1 フィート、最大動作対気速度が 140 mph の空力風洞を使用します。モデルの翼型は、圧力管用の19個のポートが組み込まれたアルミニウム製のクラークY-14翼です。圧力ポートの位置を以下に示します。ポート座標は、ポートの位置を弦の長さで割ることによって決定されます。圧力ポートは、色付きのオイルで満たされた圧力計パネルに接続されていますが、水インチの目盛りとしてマークされています。

まず、テストセクションのトップカバーを取り外し、翼をターンテーブルに垂直に取り付けて、ポート番号1が上流を向いていることを確認します。テストセクションの上部カバーを元に戻します。翼型モデルは、翼の周囲に 3D 流れが発生していないことを確認するために、風洞試験セクションの床と天井の両方に接触していることに注意してください。

19個のラベル付き圧力管を圧力計の対応するポートに接続します。次に、迎え角がゼロになるようにターンテーブルを回転させます。次に、風洞をオンにして、風速を時速90マイルに設定します。19種類の圧力計の高さの測定値をすべてノートブックに記録します。

次に、風洞をオフにして、迎え角を4?に調整します。次に、風速を時速90マイルにして風洞を再びオンにし、19の圧力ポートのそれぞれの圧力計の読み取り値を記録します。最後に、迎え角 8 マイルに対して時速 90 マイルで測定を繰り返します。以前と同様に、すべての圧力計の読み取り値を記録します。

それでは、データの分析方法を見てみましょう。まず、この関係を使用して、各圧力計の高さの読み取り値(delta hはノートブックに記録された高さの読み取り値、rho Lはオイルの密度、gは重力加速度)のゲージ圧を決定します。次に、翼の各ポートの無次元圧力係数 Cp を計算します。

圧力係数は、自由流密度、自由流速度、およびゲージ圧を使用して示されるように計算されます。負の圧力係数とポート座標をプロットしてみましょう。まず、迎え角がゼロに等しい場合、プロットをより視覚的に直感的にするために、y 軸に正の Cp の代わりに負の Cp をプロットします。したがって、上部のトレースは翼の上面の負圧を伝え、下部のトレースは下面の正圧を伝えます。

プロットから、前縁の直後に圧力が大きく変化することがわかります。圧力は、リーディングエッジの後、約5〜15%の弦で最小値に達します。その結果、揚力の約半分は、翼の最初の1/4弦領域で生成されます。3つの迎え角すべてを見ると、リーディングエッジの後に同様の圧力変化が観察されます。

さらに、3つのケースすべてで、上面は下面よりも大きな揚力に寄与します。そのため、翼の上部の表面を清潔で剛性の高い状態に保つことが重要です。そのため、ほとんどの飛行機から翼の上部にある物体は取り除かれています。

失速が発生する前に、迎え角を大きくすると、翼の底面と上面の圧力差が大きくなり、揚力が大きくなります。ここに示す関係を使用して、各迎え角の揚力係数を計算できます。揚力係数は、生成された揚力を翼の圧力分布に関連付け、予想どおり、迎え角が大きいほど高くなります。

要約すると、翼に沿った圧力差が航空機の揚力をどのように生成するかを学びました。次に、さまざまな迎え角で気流にさらされたクラークY-14翼の表面に沿った圧力分布を測定し、揚力係数を計算しました。