Overview
מקור: דייוויד גואו, המכללה להנדסה, טכנולוגיה ואווירונאוטיקה (CETA), אוניברסיטת דרום ניו המפשייר (SNHU), מנצ'סטר, ניו המפשייר
נייר אלומיניום הוא חלק כנף דו-ממדי המייצג מאפייני ביצועי כנף קריטיים. מקדם חלוקת הלחץ וההרמה הם פרמטרים חשובים המאפיינים את התנהגותם של ניירות מזון אוויריים. התפלגות הלחץ קשורה ישירות למעלית שנוצרת על ידי airfoils. נייר אלומיניום קלארק Y-14, המשמש בהדגמה זו, יש עובי של 14% והוא שטוח על המשטח התחתון מ 30% של אורך אקורד לגב.
כאן נדגים כיצד נמדדת התפלגות הלחץ סביב חיל האוויר באמצעות מנהרת רוח. דגם של Y-14 של קלארק עם 19 יציאות לחץ משמש לאיסוף נתוני לחץ, המשמש להערכת מקדם המעלית.
Principles
חיל אוויר מפתח הרמה בזוויות התקפה שונות באמצעות לחצי גייג' נמוכים יותר על המשטח העליון ולחצי גאז' גבוהים יותר על המשטח התחתון ביחס ללחץ האוויר המתקרב (לחץ זרם חופשי). אם כוחות הגימרה במקביל לפני השטח של חיל האוויר מוזנחים (בדרך כלל תרומתם להרים קטנה), אז כוח הלחץ הכולל הוא הסיבה למעלית שנוצרת על ידי חיל האוויר. איור 1 מציג תרשים של התפלגות הלחץ מעל נייר אלומיניום.
איור 1. התפלגות לחץ על נייר אלומיניום.
מקדם הלחץ הלא ממדי, Cp, עבור נקודה שרירותית על airfoil מוגדר כ:
(1)
כאשר P הוא הלחץ המוחלט, P∞ הוא לחץ הזרם החופשי ללא הפרעה, Pgage = P − P∞ הוא לחץ gage, 
והוא הלחץ הדינמי, המבוסס על צפיפות הזרם החופשי, ρ∞, ואת המהירות האווירית, V∞.
מקדם המעלית הלא ממדי Cl מוגדר באופן דומה:
(2)
כאשר L ' הוא המעלית ליחידה טווח, ו- c הוא אורך האקורד של airfoil.
למעט נקודות לאורך הקצה המוביל, כוחות הלחץ מצביעים באופן אחיד כלפי מעלה, בערך באותו כיוון כמו להרים. ככזה, בזוויות קטנות של התקפה, מקדם המעלית ניתן להעריך על ידי:
(3)
כאשר x הוא מיקום הקואורדינטות האופקי עם המקור המתחיל מהקצה המוביל.
ביצועי Airfoil לוקחים בחשבון את מספר ריינולדס, Re, המוגדר כ:
(4)
כאשר הפרמטר החדש μ הוא צמיגות הדינמיקה של הנוזל.
כאן, התפלגות הלחץ הכוללת לאורך חיל האוויר נמדדת עם 19 צינורות קטנים המוטמעים בכנף ומחוברים למתמר לחץ. נייר אלומיניום של קלארק Y-14 מוצג באיור 2. יש לו עובי של 14% והוא שטוח על המשטח התחתון מ 30% של אורך האקורד לאחור.
איור 2. פרופיל חיל האוויר של כנף קלארק Y-14 עם מיקומים של יציאות לחץ gage.
לחצי הגייג' נמדדים באמצעות לוח מנורה מבטאים עם 24 עמודים מלאים בשמן נוזלי המסומן בטקסי סיום של אינץ 'מים. קריאת לחץ הגייג' נקבעת באמצעות המשוואה הבאה:
(5)
כאשר Δh הוא הפרש הגובה של המנומטר עם התייחסות ללחץ זרם חופשי, ρL הוא צפיפות הנוזל במנומטר, ו- g הוא התאוצה עקב כוח המשיכה.
לאחר התפלגות הלחץ מתקבלת, מקדם המעלית הלא ממדי, Cl, ניתן לקבוע מספרית כדי להעריך את משוואה 3:
(6)
כאשר Δ xi הוא תוספת קבועה בין 2 יציאות סמוכות.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Procedure
- הסר את הכיסוי העליון של מקטע הבדיקה כדי להתקין את דגם קלארק Y-14 (אורך אקורד, c = 3.5 ב). קטע הבדיקה צריך להיות 1 רגל x 1 רגל ומנהרת הרוח אמורה להיות מסוגלת לקיים מהירות אוויר מקסימלית של 140 קמ"ש.
- הר את דגם האלומיניום קלארק Y-14 על הפטיפון בתוך קטע הבדיקה כך #1 היציאה פונה במעלה הזרם. החלף את הכיסוי העליון. שימו לב כי הדגם נוגע הן ברצפה והן בתקרה של קטע בדיקת מנהרת הרוח כך שלא מתפתחת זרימה תלת-ממדית סביב חיל האוויר.
- חבר את 19 צינורות הלחץ המסומנים 1 - 19 לנמלים המתאימים של לוח המנומטר, בהתאמה. היציאות בדגם קלארק Y-14 ממוקמות כדלקמן: יציאה 1: x/c = 0 (ממש בקצה המוביל), יציאות 2 ו- 11: x/c = 5%, יציאות 3 ו- 12: x/c = 10%, יציאות 4 ו- 13: x/c = 20%, יציאות 5 ו- 14: x/c = 30% יציאות 6 ו- 15: x/c = 40%, יציאות 7 ו- 16: x/c = 50%, יציאות 8 ו- 17: x/c = 60%, יציאות 9 ו- 18: x/c = 70%, ויציאות 10 ו- 19: x/c = 80% (איור 2). לוח המנומטר צריך להיות 24 עמודים מלאים בשמן צבעוני ומסומנים בטקסי סיום אינץ 'מים.
- סובב את הפטיפון כך שזווית ההתקפה היא 0°.
- הפעל את מנהרת הרוח במהירות של 90 קמ"ש, ותיעד את כל 19 מדידות הלחץ על ידי קריאת המנומטר.
- חזור על שלבים 4 ו- 5 לזוויות התקפה של 4 ו- 8°.
נייר אלומיניום הוא חלק כנף דו מימדי שמייצר מעלית במטוס. מטוסי אוויר מגיעים בגיאומטריות רבות, אך כולם מתוארים על ידי אותן תכונות. הקצה המוביל הוא הנקודה בחזית חיל האוויר עם עקמומיות מקסימלית. ובאופן דומה, הקצה הנגרר הוא הנקודה של עקמומיות מקסימלית בחלק האחורי של חיל האוויר.
קו האקורד הוא קו ישר המחבר בין הקצוות המובילים והנגררים. אורך האקורד, c, הוא אורך קו אקורד זה ומשמש לתיאור הממדים בכיוונים אחרים כאחוזים מאורך האקורד.
כאן, נתמקד במעפר האוויר קלארק Y-14, בעל עובי של 14% אורך אקורד והוא שטוח על המשטח התחתון מ 30% אקורד בחזרה לקצה נגרר. בזוויות התקפה שונות, חיל האוויר מייצר לחצים נמוכים יותר על המשטח העליון ולחצים גבוהים יותר על פני השטח התחתונים ביחס ללחץ האוויר המתקרב.
על פי העיקרון של ברנולי, הפרש לחץ זה הוא תוצאה של הבדלים במהירות בין האזור העליון והתחתון של חיל האוויר, אשר נגרמים על ידי מולקולות אוויר אינטראקציה עם המשטחים המעוקלים. אזור הלחץ התחתון על המשטח העליון יש מהירות גבוהה יותר מאשר אזור הלחץ הגבוה יותר על פני השטח התחתונים.
אם כוחות הגיזה במקביל לפני השטח של חיל האוויר מוזנחים, אז כוח הלחץ הכולל הוא מה שמייצר הרמה. אנחנו יכולים להגדיר את מקדם הלחץ, Cp, לנקודה שרירותית על נייר הלחץ באמצעות מערכת יחסים זו. מקדם הלחץ הוא מספר לא ממדי, המתאר את הלחצים היחסיים לאורך שדה זרימה. P הוא הלחץ המוחלט, P אינסוף הוא לחץ הזרם החופשי, ואינסוף רו אינסוף ו- V הם צפיפות ומהירות הזרם החופשי, בהתאמה.
למעט מיקומי קצה מובילים, כיווני כוח הלחץ שנקבעו על ידי Cp, מצביעים בערך כלפי מעלה באותו כיוון כמו להרים בזוויות התקפה נמוכות. לכן, אנו יכולים לחשב מקדם הרמה לא ממדי, CL, המתייחס להרמה שנוצרה לזרימת הנוזל סביב האובייקט באמצעות קשר זה. כאן, c הוא אורך האקורד ו- x הוא מיקום הקואורדינטות האופקי עם אפס כקצה המוביל.
בניסוי זה, ננתח את התפלגות הלחץ על פני השטח של נייר אלומיניום, אשר יש 19 הקשות לחץ על פני השטח שלה. כל אחת מקריאות הלחץ נמדדת באמצעות מד נוזלים. אתה תמדוד את התפלגות הלחץ ולהרים על ידי חשיפת חיל האוויר לזרימת אוויר במנהרת רוח בזוויות שונות של התקפה.
לניסוי זה, תשתמש במנהרת רוח אווירודינמית עם קטע בדיקה של 1 רגל על 1 רגל ומהירות אוויר הפעלה מקסימלית של 140 קמ"ש. דגם האוויר הוא מנוול אוויר אלומיניום קלארק Y-14 עם 19 יציאות מובנות לצינורות לחץ. מיקומי יציאות הלחץ מוצגים כאן. קואורדינטת היציאה נקבעת על-ידי חלוקת מיקום היציאה לפי אורך האקורד. יציאות הלחץ מחוברות ללוח מנורה מבטאים מלא בשמן צבעוני אך מסומן כטקסי סיום של אינץ'.
כדי להתחיל, הסר את הכיסוי העליון של מקטע הבדיקה והתקן את נייר מזון האוויר אנכית על הפטיפון, וודא כי יציאה מספר אחת פונה במעלה הזרם. החלף את הכיסוי העליון של מקטע הבדיקה. שימו לב כי דגם חיל האוויר נוגע הן ברצפה והן בתקרה של קטע בדיקת מנהרת הרוח על מנת לוודא שאין זרימת תלת-ממד שפותחה סביב חיל האוויר.
חבר את 19 צינורות הלחץ המסומנים לנמלים המתאימים של מד האחוז. עכשיו לסובב את הפטיפון עבור זווית ההתקפה להיות אפס. לאחר מכן, הפעל את מנהרת הרוח והגדר את מהירות הרוח ל-150 קמ"ש. הקלט את כל 19 קריאות גובה האחוז במחברת שלך.
עכשיו לכבות את מנהרת הרוח ולהתאים את זווית ההתקפה ל 4°. לאחר מכן, הפעל את מנהרת הרוח בחזרה עם מהירות הרוח במהירות של 90 קמ"ש ותיעד את קריאות המנומטר עבור כל אחד מ -19 יציאות הלחץ. לבסוף, חזור על המדידה במהירות של 90 קמ"ש לזווית התקפה של 8°. כמו קודם, להקליט את כל קריאות manometer.
עכשיו בואו נסתכל על איך לנתח את הנתונים. ראשית, לקבוע את לחץ gage עבור כל אחד קריאות גובה manometer באמצעות מערכת יחסים זו, שבו דלתא h הוא קריאת הגובה שנרשמה במחברת שלך, רו L הוא הצפיפות של השמן, ו g הוא האצת כבידה. לאחר מכן, חשב את מקדם הלחץ הלא ממדי, Cp, עבור כל יציאה על airfoil.
מקדם הלחץ מחושב כפי שמוצג באמצעות צפיפות הזרם החופשי, מהירות הזרם החופשי ולחץ הגייג'. בואו נתווה את מקדם הלחץ השלילי לעומת קואורדינטת היציאה. ראשית, עבור זווית התקפה השווה לאפס, אנו מתווים Cp שלילי במקום Cp חיובי על ציר ה- y כדי שהעלילה תהיה אינטואיטיבית יותר מבחינה חזותית. לפיכך, העקבות העליונים מעבירים את הלחצים השליליים על פני השטח העליונים של חיל האוויר, והעקבות התחתונים מעבירים את הלחצים החיוביים על פני השטח התחתון.
מהעלילה ניתן לראות שהלחץ משתנה באופן דרסטי מיד לאחר היתרון המוביל. הלחץ מגיע לערך המינימום שלו סביב 5 עד 15% אקורד לאחר היתרון המוביל. כתוצאה מכך, כמחצית המעלית נוצרת באזור אקורד 1/4 הראשון של חיל האוויר. בהסתכלות על כל שלוש זוויות ההתקפה, אנו מבחינים בשינוי לחץ דומה לאחר הקצה המוביל.
בנוסף, בכל שלושת המקרים, המשטח העליון תורם יותר להרים מאשר המשטח התחתון. כתוצאה מכך, זה קריטי כדי לשמור על משטח נקי ונוקשה על החלק העליון של הכנף. זו הסיבה שרוב המטוסים מנוקים מכל חפצים בחלק העליון של הכנף.
לפני דוכן מתרחש, הגדלת זווית ההתקפה גורמת להבדלי לחץ גבוהים יותר בין המשטח התחתון והעל גבי של חיל האוויר, ובכך ליצור הרמה גבוהה יותר. אנו יכולים לחשב את מקדם המעלית עבור כל זווית התקפה באמצעות מערכת היחסים המוצגת כאן. מקדם המעלית מתייחס למעלית שנוצרת לחלוקת הלחץ על חיל האוויר וכצפוי גבוה יותר לזוויות תקיפה גבוהות יותר.
לסיכום, למדנו כיצד הבדלי לחץ לאורך נייר אלומיניום מייצרים מעלית במטוס. לאחר מכן מדדנו את התפלגות הלחץ לאורך פני השטח של נייר אלומיניום קלארק Y-14 הכפוף לזרימת אוויר בזוויות התקפה שונות וחישבנו את מקדמי המעלית.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Results
תוצאות המעבדה מוצגות בטבלה 1 ובטבלה 2. הנתונים מתווים באיור 3, המציג את מקדם הלחץ, Cp, לעומת קואורדינטת יציאת הלחץ, x/c, לזוויות התקפה ב- 0, 4 ו- 8°. כדי להיות אינטואיטיביים יותר מבחינה ויזואלית, ערכי Cp השליליים מתווים מעל הציר האופקי. זה כדי להראות כי המשטח העליון (השורה העליונה של התרשים) הוא בעיקר לחצים שליליים ואת המשטח התחתון (השורה התחתונה של התרשים) הוא בעיקר לחצים חיוביים.
מאיור 3, הלחץ משתנה באופן משמעותי מיד לאחר הקצה המוביל: הלחץ מגיע לערכיו המינימליים (או המוחלטים המרביים) בערך 5% עד 15% אורך אקורד. כתוצאה מכך, מחצית המעלית נוצרת ברבעון הראשון של אורך האקורד של חיל האוויר. בנוסף, המשטח העליון תורם יותר להרים מאשר המשטח התחתון: בכל 3 המקרים, המשטח העליון תרם כ 70 - 80% מכלל המעלית. לכן, זה קריטי כדי לשמור על משטח נקי ונוקשה על החלק העליון של הכנף.
| יציאת לחץ # | קואורדינטות יציאות x/c | Pgage ממנומטר (במים) | מקדם לחץ מחושב Cp |
| 1 | 0.0 | 3.7 | 1.00 |
| 2 | 0.05 | -1.2 | -0.67 |
| 3 | 0.10 | -3.0 | -1.00 |
| 4 | 0.2 | -3.9 | -0.79 |
| 5 | 0.3 | -3.4 | -0.57 |
| 6 | 0.4 | -3.0 | -0.55 |
| 7 | 0.5 | -2.5 | -0.53 |
| 8 | 0.6 | -2.3 | -0.33 |
| 9 | 0.7 | -1.5 | -0.31 |
| 10 | 0.8 | -0.8 | -0.20 |
| 11 | 0.05 | -0.7 | 1.00 |
| 12 | 0.10 | -0.6 | 0.29 |
| 13 | 0.2 | -0.3 | 0.28 |
| 14 | 0.3 | -0.2 | 0.24 |
| 15 | 0.4 | 0.1 | 0.22 |
| 16 | 0.5 | 0.1 | 0.21 |
| 17 | 0.6 | 0.2 | 0.21 |
| 18 | 0.7 | 0.2 | 0.21 |
| 19 | 0.8 | 0.3 | 0.21 |
טבלה 1. תוצאות ניסוי בזווית אפס של התקפה.
איור 3. התפלגות מקדם לחץ, Cp, לעומת קואורדינטות מיקום, x/c.
| זווית ההתקפה | הרם מקדם cl |
| 0° | 0.53 |
| 4° | 0.89 |
| 8° | 1.29 |
טבלה 2. מקדם הרמה, cl, מוערך בהתבסס על התפלגות לחץ (Re = 2.34 x 105).
| פרמטרים | ערכים |
| צפיפות אוויר ρ | 0.00230 שבלול/רגל3 |
| צפיפות מים ρL | 1.935 שבלול/רגל3 |
| תאוצת כבידה g | 32.17 רגל/שניה2 |
| צמיגות m | 3.79 x 10-7 ליברות/s/ft2 |
| ∞ V עם זרם חופשי | 90 קמ"ש |
| ריינולדס מספר מחדש | 2.34 x 105 |
| אורך אקורד c | 3.5 ב |
טבלה 3. פרמטרים המשמשים לחישובים.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Applications and Summary
הפצות לחץ על airfoils קשורות ישירות לייצור הרמות ומידע חשוב כדי לאפיין את הביצועים של airfoils. מעצבי Airfoil לתפעל הפצות לחץ כדי לרכוש את המאפיינים הרצויים של airfoils. ככזה, מידע על הפצת לחץ הוא הבסיס לניתוח אווירודינמיקה במהלך פיתוח מטוסים.
בניסוי זה, התפלגות הלחץ של קלארק Y-14 נחקרה במנהרת רוח ו -19 הנמלים של מדידת לחץ נעשו כדי למצוא את התפלגות הלחץ לאורך המשטח העליון והתחתון של חיל האוויר. מקדם המעלית מחושב גם באופן סביר מנתוני התפלגות לחץ.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
