Wizualizacja przepływu w tunelu wodnym: obserwacja wiru krawędzi natarcia nad skrzydłem delta

Skrzydła samolotu i ich konstrukcja mają zasadnicze znaczenie dla określenia charakterystyki osiągów samolotu. Skrzydło delta jest popularną konstrukcją w samolotach o dużej prędkości ze względu na doskonałe osiągi w lotach naddźwiękowych i naddźwiękowych.

Skrzydło delta ma mały współczynnik kształtu, który definiuje się jako rozpiętość skrzydeł podzieloną przez średnią długość sznurka. W przypadku skrzydła delta jest to 1/2 długości sznurka korzeniowego. Inne popularne konstrukcje skrzydeł, takie jak skrzydło prostokątne i skrzydło skośno-zwężające, mają wyższe proporcje.

Skrzydło delta ma również duży kąt wychylenia, który jest definiowany jako kąt między 25% linią cięciwy a osią boczną. Te charakterystyki skrzydeł zmniejszają opór przy wysokich reżimach lotu poddźwiękowego, transsonicznego i naddźwiękowego. Co ważne, skrzydło typu delta ma duży kąt przeciągnięcia w porównaniu do skrzydeł o wysokim wydłużeniu.

W aerodynamice kąt przeciągnięcia to punkt, w którym kąt natarcia jest zbyt wysoki, co powoduje zmniejszenie siły nośnej. Wysoki kąt przeciągnięcia skrzydła delta wynika ze zwiększonej siły nośnej przez wir krawędzi natarcia nad skrzydłem, zwany wznoszeniem wirowym. Unoszenie wirowe występuje, gdy skrzydło delta jest poddawane większym kątom natarcia, co powoduje, że separacja przepływu odbywa się na krawędzi natarcia skrzydła, a nie na dole w pobliżu krawędzi spływu, jak to ma miejsce w przypadku skrzydła prostokątnego.

Zwijanie się wirów krawędzi natarcia indukuje niskie ciśnienie na górnej powierzchni skrzydła. Ta różnica ciśnień zwiększa siłę nośną. Wiry te zaczynają się od wierzchołka skrzydła i postępują w dół rzeki. W pewnym momencie pękły, co nazywa się rozpadem wirowym, ze względu na wysoki niekorzystny gradient ciśnienia.

Gdy dojdzie do rozpadu wiru, wir nie może już indukować niskiego ciśnienia. Przy niskich kątach natarcia rozpad wiru następuje poniżej krawędzi spływu. Jednak wraz ze wzrostem kąta natarcia miejsce załamania wiru przesuwa się w górę rzeki, aż do punktu, w którym załamanie następuje na większości powierzchni skrzydła. Zmniejsza to siłę nośną i powoduje przeciągnięcie skrzydła.

W tym eksperymencie użyjemy tunelu wodnego z barwnikiem, aby zobrazować te wzory wirów na modelu skrzydła delta i śledzić miejsce załamania się wiru pod różnymi kątami natarcia.

Aby przeprowadzić ten eksperyment, będziesz potrzebować dostępu do tunelu wodnego. Najpierw zaopatrz się w trzy pojemniki o pojemności 500 ml i napełnij każdy z nich barwnikiem co najmniej do połowy. Użyj jednego pojemnika na niebieski barwnik, drugiego na zielony barwnik, a ostatni na czerwony barwnik.

Model skrzydła delta użyty w naszym eksperymencie ma rurki już podłączone do trzech pojemników na barwnik. Posiada również trzy krany do wstrzykiwania barwnika, które rozproszą barwnik o innym kolorze w trzech różnych obszarach skrzydła. Wymiary odległości są oznaczone na skrzydle za pomocą znaczników o średnicy 1 cm. Skrzydło delta powinno być już przymocowane do wspornika w kształcie litery C. Podłącz go do tunelu za pomocą śrub, utrzymując kąt odchylenia jak najbliżej 0.

Gdy skrzydło delta znajdzie się na miejscu, napełnij tunel wodny wodą. Upewnij się, że dołączyłeś papier ze znacznikami, aby zapewnić odniesienie do widoku z boku. Następnie ustaw kamerę, aby uchwycić widok z góry skrzydła. Ustaw drugą kamerę, aby uchwycić widok z boku. Teraz naciśnij "Nagraj" na każdej kamerze, aby uchwycić materiał filmowy z wstrzykiwania barwnika i następujących po nim wirów.

Ręcznie ustaw kąt natarcia na 0, regulując kąt na rozpórce C. Następnie ustaw prędkość przepływu tunelu wodnego na 4 cale / s. Po ustabilizowaniu się przepływu należy dostarczyć ciśnienie do zbiorników barwnika za pomocą pompy ręcznej.

Obserwuj smugi barwnika, a następnie wyreguluj natężenie przepływu barwnika za pomocą trzech pokręteł, aby wygenerować ciągłą smugę. Zastosowanie wszystkich trzech kolorów jednocześnie pozwala nam zobaczyć interakcje wirowe w różnych obszarach skrzydła. Obserwuj oddziaływania wirowe i zidentyfikuj zwijanie wiru i pierwotne jądro wiru.

Po zarejestrowaniu co najmniej 10 sekund wiru zmień kąt natarcia na pięć stopni. Poczekaj, aż linie przepływu i smug ustabilizują się i rejestruj wiry przez co najmniej 10 sekund.

Powtórzyć pomiar, zwiększając kąt natarcia o 5? Przyrosty do 55?. Za każdym razem rejestruj co najmniej 10 s wzoru wiru linii smug.

Jeśli woda stanie się zbyt mętna, co spowoduje, że linie smug będą wydawać się matowe, zamknij dopływ barwnika i wyłącz tunel. Przed kontynuowaniem spuść wodę i zastąp ją świeżą wodą.

Po zakończeniu wszystkich prób wyłącz aparat i zamknij dopływ barwnika. Następnie wyłącz tunel i spuść wodę. Pamiętaj, aby zmyć barwnik z tunelu, gdy skończysz.

Na podstawie eksperymentu możemy zidentyfikować rozpady wirów pod różnymi kątami natarcia. Odległość od wierzchołka skrzydła do załamania wiru, oznaczona jako LB, jest mierzona, jak pokazano. Dla uproszczenia odległość ta jest określana jako procent długości cięciwy od krawędzi spływu.

Spójrzmy teraz na odległość od krawędzi spływu do załamania wiru dla każdego kąta natarcia. Jak pokazano tutaj, miejsce załamania wiru stopniowo przesuwa się w górę rzeki wraz ze wzrostem kąta natarcia. Gdy kąt natarcia jest równy 40Ω, załamanie wiru następuje w 96% położenia cięciwy od krawędzi spływu. Innymi słowy, prawie do wierzchołka skrzydła. W tej pozycji skrzydło delta doświadcza pełnego przeciągnięcia. Innymi słowy, doświadcza całkowitej utraty siły nośnej.

Podsumowując, dowiedzieliśmy się, w jaki sposób niski współczynnik kształtu i wysoki kąt wychylenia skrzydła delta przyczyniają się do jego unoszenia wirowego i opóźnionego przeciągnięcia. Następnie zaobserwowaliśmy zjawisko przepływu wirowego na modelowym skrzydle delta w tunelu wodnym i wykorzystaliśmy załamanie wiru do oszacowania kąta przeciągnięcia.