Overview
Fonte: David Guo, College of Engineering, Technology, and Aeronautics (CETA), Southern New Hampshire University (SNHU), Manchester, New Hampshire
Un profilo alare è una sezione alare a 2 dimensioni che rappresenta le caratteristiche critiche delle prestazioni dell'ala. La distribuzione della pressione e il coefficiente di sollevamento sono parametri importanti che caratterizzano il comportamento dei profili alari. La distribuzione della pressione è direttamente correlata alla portanza generata dai profili alari. Un profilo alare Clark Y-14, utilizzato in questa dimostrazione, ha uno spessore del 14% ed è piatto sulla superficie inferiore dal 30% della lunghezza dell'accordo sul retro.
Qui dimostreremo come viene misurata la distribuzione della pressione attorno a un profilo alare utilizzando una galleria del vento. Un modello di profilo alare Clark Y-14 con 19 porte di pressione viene utilizzato per raccogliere dati sulla pressione, che viene utilizzato per stimare il coefficiente di portanza.
Principles
Un profilo alare sviluppa sollevamento a vari angoli di attacco attraverso pressioni del calibro più basse sulla superficie superiore e pressioni del misuratore più elevate sulla superficie inferiore rispetto alla pressione dell'aria in avvicinamento (pressione del flusso libero). Se le forze di taglio parallele alla superficie del profilo alare vengono trascurate (in genere i loro contributi alla portanza sono piccoli), allora la forza di pressione totale è la ragione della portanza generata dal profilo alare. La Figura 1 mostra uno schema della distribuzione della pressione su un profilo alare.
Figura 1. Distribuzione della pressione su un profilo alare.
Il coefficiente di pressione non dimensionale, Cp, per un punto arbitrario sul profilo alare è definito come:
(1)
dove P è la pressione assoluta, P∞ è la pressione a flusso libero indisturbata, Pgage = P − P∞ è la pressione del misuratore, ed 
è la pressione dinamica, che si basa sulla densità del flusso libero, ρ∞, e velocità dell'aria, V∞.
Il coefficiente di portanza non dimensionale Cl è definito in modo simile:
(2)
dove L' è la portanza per unità di campata, e c è la lunghezza della corda del profilo alare.
Ad eccezione dei punti lungo il bordo d'avanguardia, le forze di pressione puntano uniformemente verso l'alto, all'incirca nella stessa direzione del sollevamento. Pertanto, a piccoli angoli di attacco, il coefficiente di portanza può essere stimato da:
(3)
dove x è la posizione delle coordinate orizzontali con origine a partire dallo spigolo anteriore.
Le prestazioni del profilo alare prendono in considerazione il numero di Reynolds, Re, che è definito come:
(4)
dove il nuovo parametro μ è la viscosità dinamica del fluido.
Qui, la distribuzione complessiva della pressione lungo il profilo alare viene misurata con 19 piccoli tubi incorporati nell'ala e collegati a un trasduttore di pressione. Un profilo alare Clark Y-14 è mostrato nella Figura 2. Ha uno spessore del 14% ed è piatto sulla superficie inferiore dal 30% della lunghezza dell'accordo alla parte posteriore.
Figura 2. Profilo del profilo alare di un'ala Clark Y-14 con posizioni delle porte di pressione del misuratore.
Le pressioni del misuratore vengono misurate utilizzando un pannello manometro con 24 colonne riempite con olio liquido contrassegnato con graduazioni di pollici d'acqua. La lettura della pressione del misuratore viene determinata utilizzando la seguente equazione:
(5)
dove Δh è la differenza di altezza del manometro con riferimento alla pressione a flusso libero, ρL è la densità del liquido nel manometro e g è l'accelerazione dovuta alla gravità.
Una volta ottenuta la distribuzione della pressione, il coefficiente di portanza non dimensionale, Cl, può essere determinato numericamente per valutare l'equazione 3:
(6)
dove Δxi è l'incremento tra 2 porte adiacenti.
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Procedure
- Rimuovere il coperchio superiore della sezione di prova per installare il modello Clark Y-14 (lunghezza dell'accordo, c = 3,5 pollici). La sezione di prova dovrebbe essere 1 ft x 1 ft e la galleria del vento dovrebbe essere in grado di sostenere una velocità massima di 140 mph.
- Montare il modello Clark Y-14 in alluminio sul giradischi all'interno della sezione di prova in modo che la porta #1 sia rivolta a monte. Sostituire il coperchio superiore. Si noti che il modello tocca sia il pavimento che il soffitto della sezione di prova della galleria del vento, quindi non si sviluppa alcun flusso 3D attorno al profilo alare.
- Collegare i 19 tubi di pressione etichettati 1 - 19 alle porte corrispondenti del pannello manometro, rispettivamente. Le porte del modello Clark Y-14 si trovano come segue: porta 1: x/c = 0 (a destra sul bordo d'ingresso), porte 2 e 11: x/c = 5%, porte 3 e 12: x/c = 10%, porte 4 e 13: x/c = 20%, porte 5 e 14: x/c = 30% porte 6 e 15: x/c = 40%, porte 7 e 16: x/c = 50%, porte 8 e 17: x/c = 60%, porte 9 e 18: x/c = 70% e porte 10 e 19: x/c = 80% (Figura 2). Il pannello manometro dovrebbe avere 24 colonne riempite con olio colorato e contrassegnate con graduazioni in pollici d'acqua.
- Ruotare il giradischi in modo che l'angolo di attacco sia di 0°.
- Esegui la galleria del vento a 90 mph e registra tutte le 19 misurazioni della pressione leggendo il manometro.
- Ripetere i passaggi 4 e 5 per angoli di attacco di 4 e 8°.
Un profilo alare è una sezione alare bidimensionale che genera portanza in un aereo. I profili alari sono disponibili in molte geometrie, ma sono tutti descritti dalle stesse caratteristiche. Il bordo d'attacco è il punto nella parte anteriore del profilo alare con la massima curvatura. E allo stesso modo, il bordo d'uscita è il punto di massima curvatura nella parte posteriore del profilo alare.
La linea di accordo è una linea retta che collega i bordi iniziale e finale. La lunghezza dell'accordo, c, è la lunghezza di questa linea di accordo e viene utilizzata per descrivere le dimensioni in altre direzioni come percentuali della lunghezza dell'accordo.
Qui, ci concentreremo sul profilo alare Clark Y-14, che ha uno spessore del 14% di lunghezza degli accordi ed è piatto sulla superficie inferiore dal 30% di corda fino al bordo d'uscita. A vari angoli di attacco, il profilo alare genera pressioni inferiori sulla superficie superiore e pressioni più elevate sulla superficie inferiore rispetto alla pressione dell'aria in avvicinamento.
Secondo il principio di Bernoulli, questa differenza di pressione è il risultato di differenze di velocità tra le regioni superiore e inferiore del profilo alare, che sono causate da molecole d'aria che interagiscono con le superfici curve. La regione di pressione inferiore sulla superficie superiore ha una velocità più elevata rispetto alla regione di pressione più elevata sulla superficie inferiore.
Se le forze di taglio parallele alla superficie del profilo alare vengono trascurate, la forza di pressione complessiva è ciò che genera portanza. Possiamo definire il coefficiente di pressione, Cp, per un punto arbitrario sul profilo alare usando questa relazione. Il coefficiente di pressione è un numero non dimensionale, che descrive le pressioni relative in un campo di flusso. P è la pressione assoluta, P infinito è la pressione a flusso libero, e rho infinito e V infinito sono rispettivamente la densità e la velocità del flusso libero.
Ad eccezione delle posizioni dei bordi d'attacco, le direzioni della forza di pressione determinate da Cp, puntano approssimativamente verso l'alto nella stessa direzione del sollevamento a bassi angoli di attacco. Quindi, possiamo calcolare un coefficiente di portanza non dimensionale, CL, che mette in relazione la portanza generata con il flusso di fluido intorno all'oggetto usando questa relazione. Qui, c è la lunghezza dell'accordo e x è la posizione delle coordinate orizzontali con zero come spigolo anteriore.
In questo esperimento, analizzeremo la distribuzione della pressione sulla superficie di un profilo alare, che ha 19 rubinetti di pressione sulla sua superficie. Ciascuna delle letture della pressione viene misurata utilizzando un manometro liquido. Misurerai la distribuzione e la portanza della pressione sottoponendo il profilo alare al flusso d'aria in una galleria del vento a vari angoli di attacco.
Per questo esperimento, utilizzerai una galleria del vento aerodinamica con una sezione di prova di 1 ft per 1 ft e una velocità massima dell'aria operativa di 140 mph. Il profilo alare modello è un profilo alare Clark Y-14 in alluminio con 19 porte integrate per tubi a pressione. Le posizioni delle porte di pressione sono mostrate qui. La coordinata della porta viene determinata dividendo la posizione della porta per la lunghezza dell'accordo. Le porte di pressione sono collegate a un pannello manometro riempito con olio colorato ma contrassegnato come graduazioni in pollici d'acqua.
Per iniziare, rimuovere il coperchio superiore della sezione di prova e installare il profilo alare verticalmente sul giradischi, assicurandosi che la porta numero uno sia rivolta a monte. Sostituire il coperchio superiore della sezione di prova. Si noti che il modello del profilo alare tocca sia il pavimento che il soffitto della sezione di prova della galleria del vento per assicurarsi che non vi sia alcun flusso 3D sviluppato attorno al profilo alare.
Collegare i 19 tubi di pressione etichettati alle porte corrispondenti del manometro. Ora ruota il giradischi in modo che l'angolo di attacco sia zero. Quindi, accendi la galleria del vento e imposta la velocità del vento a 90 mph. Registra tutte le letture di 19 manometri di altezza nel tuo notebook.
Ora spegni la galleria del vento e regola l'angolo di attacco a 4°. Quindi, riaccela la galleria del vento con la velocità del vento a 90 mph e registra le letture del manometro per ciascuna delle 19 porte di pressione. Infine, ripetere la misurazione a 90 mph per un angolo di attacco di 8°. Come prima, registra tutte le letture del manometro.
Ora diamo un'occhiata a come analizzare i dati. Innanzitutto, determina la pressione del misuratore per ciascuna delle letture dell'altezza del manometro usando questa relazione, dove delta h è la lettura dell'altezza registrata nel tuo notebook, rho L è la densità dell'olio e g è l'accelerazione gravitazionale. Quindi, calcolare il coefficiente di pressione non dimensionale, Cp, per ogni porta sul profilo alare.
Il coefficiente di pressione viene calcolato come mostrato utilizzando la densità del flusso libero, la velocità del flusso libero e la pressione del misuratore. Tracciamo il coefficiente di pressione negativa rispetto alla coordinata della porta. Innanzitutto, per un angolo di attacco pari a zero, tracciamo Cp negativo invece di Cp positivo sull'asse y in modo che la trama sia più visivamente intuitiva. Pertanto, la traccia superiore trasmette le pressioni negative sulla superficie superiore del profilo alare e la traccia inferiore trasmette le pressioni positive sulla superficie inferiore.
Dalla trama, possiamo vedere che la pressione cambia drasticamente subito dopo il bordo d'uscita. La pressione raggiunge il suo valore minimo intorno al 5-15% di corda dopo il bordo d'uscita. Di conseguenza, circa la metà della portanza viene generata nella prima regione di 1/4 di corda del profilo alare. Osservando tutti e tre gli angoli di attacco, osserviamo un simile cambiamento di pressione dopo il bordo d'attacco.
Inoltre, in tutti e tre i casi, la superficie superiore contribuisce a una maggiore portanza rispetto alla superficie inferiore. Di conseguenza, è fondamentale mantenere una superficie pulita e rigida sulla parte superiore dell'ala. Questo è il motivo per cui la maggior parte degli aeroplani viene ripulita da qualsiasi oggetto sulla parte superiore dell'ala.
Prima che si verifichi lo stallo, l'aumento dell'angolo di attacco si traduce in differenze di pressione più elevate tra le superfici inferiore e superiore del profilo alare, generando così una maggiore portanza. Possiamo calcolare il coefficiente di portanza per ogni angolo di attacco usando la relazione mostrata qui. Il coefficiente di portanza mette in relazione la portanza generata con la distribuzione della pressione sul profilo alare e, come previsto, è più alto per angoli di attacco più elevati.
In sintesi, abbiamo imparato come le differenze di pressione lungo un profilo alare generano portanza in un aereo. Abbiamo quindi misurato la distribuzione della pressione lungo la superficie di un profilo alare Clark Y-14 sottoposto a flusso d'aria a vari angoli di attacco e calcolato i coefficienti di portanza.
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Results
I risultati del laboratorio sono mostrati nella Tabella 1 e nella Tabella 2. I dati sono tracciati nella Figura 3, che mostra il coefficiente di pressione, Cp, rispetto alla coordinata della porta di pressione, x / c, per gli angoli di attacco a 0, 4 e 8 °. Per essere più visivamente intuitivi, i valori Cp negativi vengono tracciati sopra l'asse orizzontale. Questo per mostrare che la superficie superiore (la linea superiore del grafico) è per lo più pressioni negative e la superficie inferiore (la linea inferiore del grafico) è per lo più pressioni positive.
Dalla Figura 3, la pressione cambia significativamente immediatamente dopo il bordo d'uscita: la pressione raggiunge i suoi valori minimi (o assoluti massimi) a circa il 5% - 15% di lunghezza dell'accordo. Di conseguenza, metà dell'ascensore viene generato nel primo quarto della lunghezza dell'accordo del profilo alare. Inoltre, la superficie superiore contribuisce più alla portanza rispetto alla superficie inferiore: in tutti e 3 i casi, la superficie superiore ha contribuito a circa il 70 - 80% del sollevamento totale. Pertanto, è fondamentale mantenere una superficie pulita e rigida sulla parte superiore dell'ala.
| Porta di pressione # | Coordinate delle porte x/c | Misuratore P dal manometro (in. acqua) | Coefficiente di pressione calcolato 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 |
Tabella 1. Risultati sperimentali a zero angolo di attacco.
Figura 3. Distribuzione del coefficiente di pressione, Cp, vs coordinata di posizione, x/c.
| Angolo di attacco | Coefficiente di portanza cl |
| 0° | 0.53 |
| 4° | 0.89 |
| 8° | 1.29 |
Tabella 2. Coefficiente di portanza, c l, stimato in base alla distribuzione della pressione (Re = 2,34 x 105).
| Parametri | Valori |
| Densità dell'aria ρ | 0,00230 lumaca/ft3 |
| Densità dell'acqua ρL | 1.935 lumaca/ft3 |
| Accelerazione gravitazionale g | 32.17 ft/s2 |
| Viscosità m | 3,79 x 10-7 lbf*s/ft2 |
| Velocità dell'aria a flusso libero V∞ | 90 mph |
| Reynolds numero Re | 2,34 x 105 |
| Lunghezza dell'accordo c | 3,5 pollici |
Tabella 3. Parametri utilizzati per i calcoli.
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Applications and Summary
Le distribuzioni di pressione sui profili alari sono direttamente correlate alla generazione di ascensori e informazioni importanti per caratterizzare le prestazioni dei profili alari. I progettisti di profili alari manipolano le distribuzioni di pressione per acquisire le caratteristiche desiderate dei profili alari. Pertanto, le informazioni sulla distribuzione della pressione sono alla base dell'analisi aerodinamica durante lo sviluppo degli aeromobili.
In questo esperimento, la distribuzione della pressione di Clark Y-14 è stata studiata in una galleria del vento e sono state effettuate le 19 porte di misurazione della pressione per trovare la distribuzione della pressione lungo la superficie superiore e inferiore del profilo alare. Il coefficiente di sollevamento è anche calcolato ragionevolmente dai dati di distribuzione della pressione.
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