Overview
출처: 데이비드 구오, 공학, 기술 및 항공 대학 (CETA), 서던 뉴 햄프셔 대학 (SNHU), 맨체스터, 뉴햄프셔
익형은 중요한 날개 성능 특성을 나타내는 2차원 날개 섹션입니다. 압력 분포 및 리프트 계수는 익선 포일의 동작을 특징짓는 중요한 매개 변수입니다. 압력 분포는 익선에 의해 생성된 리프트와 직접 관련이 있습니다. 이 데모에서 사용되는 Clark Y-14 익포일은 두께가 14%이며 코드 길이의 30%에서 후면까지 낮은 표면에 평평합니다.
여기서 는 풍구를 사용하여 익형 주변의 압력 분포를 측정하는 방법을 시연할 것입니다. 19개의 압력 포트가 있는 Clark Y-14 익포일 모델은 압력 데이터를 수집하는 데 사용되며, 이는 리프트 계수를 추정하는 데 사용됩니다.
Principles
익형은 접근 공기(프리 스트림 압력)의 압력과 관련하여 상부 표면의 낮은 게이지 압력과 낮은 표면에 더 높은 게이지 압력을 통해 다양한 각도의 공격 각도에서 리프트를 개발합니다. 에어포일 의 표면에 평행한 전단 힘이 무시되는 경우(일반적으로 리프트에 대한 기여도는 작음), 총 압력력은 익선에 의해 생성된 리프트의 이유입니다. 도 1은 익선위에 대한 압력 분포의 회로도를 나타낸다.
그림 1. 익선에 대한 압력 분포.
비차원 압력 계수, Cp,익형에 임의의 지점에 대한 다음과 같이 정의된다:
(1)
P가 절대 압력인 경우 P∞는 방해받지 않는 자유 스트림 압력, P게이지 = P - P ∞ 게이지 
압력이며, 자유 스트림 밀도, ∞,및 공기 속도, V∞기반의 동적 압력입니다.
비차원 리프트 계수 Cl도 마찬가지로 정의됩니다.
(2)
여기서 L'은 단위 범위당 리프트이며 c는 익선의 코드 길이입니다.
앞가장자리를 따라 있는 점을 제외하고 압력 힘은 리프트와 거의 같은 방향으로 균일하게 위쪽으로 가리킵니다. 따라서 작은 공격 각도에서 리프트 계수를 다음으로 추정할 수 있습니다.
(3)
여기서 x는 앞가장자리에서 시작하여 원점이 있는 수평 좌표 위치입니다.
에어포일 성능은 레이놀즈 번호인 Re를 고려하며, 이는 다음과 같이 정의됩니다.
(4)
μ 새로운 매개 변수가 유체의 역학 점도인 곳입니다.
여기서, 익형을 따라 전체 압력 분포는 날개에 내장된 19개의 작은 튜브로 측정되고 압력 트랜스듀서에 부착된다. 클라크 Y-14 익포일은 그림 2에 표시됩니다. 두께가 14%이며 코드 길이의 30%에서 후면까지 하부 표면에 평평합니다.
그림 2. 게이지 압력 포트의 위치와 클라크 Y-14 날개의 익선 프로필.
게이지 압력은 물 인치 졸업으로 표시된 액체 오일로 채워진 24 열이있는 기마계 패널을 사용하여 측정됩니다. 게이지 압력 판독값은 다음 방정식을 사용하여 결정됩니다.
(5)
여기서 Δh는 자유 스트림 압력을 참조하여 기마계의 높이 차이인 경우, θL은 기마계내의 액체밀도이며, g는 중력으로 인한 가속이다.
압력 분포가 얻어지면 비차원 리프트 계수 Cl은수학식 3을 평가하기 위해 수치적으로 결정될 수 있습니다.
(6)
여기서 Δxi는 인접한 포트 2개 사이의 증분입니다.
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Procedure
- Clark Y-14 모델(코드 길이, c = 3.5인치)을 설치하려면 테스트 섹션의 상단 커버를 제거합니다. 테스트 섹션은 1ft x 1ft여야 하며 풍동은 최대 140mph의 최고 속도를 유지할 수 있어야 합니다.
- 포트 #1 상류를 향할 수 있도록 테스트 섹션 내부의 턴테이블에 알루미늄 클라크 Y-14 모델을 탑재합니다. 상단 커버를 교체합니다. 이 모델은 풍동 테스트 섹션의 바닥과 천장을 모두 터치하므로 에어포일 주위의 3D 흐름이 개발되지 않습니다.
- 1 - 19라고 표시된 19개의 압력 튜브를 각각 기마계 패널의 해당 포트에 연결합니다. Clark Y-14 모델의 포트는 포트 1: x/c = 0(앞면 가장자리), 포트 2 및 11: x/c = 5%, 포트 3 및 12: x/c = 10%, 포트 4 및 13: x/c = 20%, 포트 5 및 14: x/c = 다음과 같이 있습니다. 30% 포트 6 과 15 : x / c = 40%, 포트 7 및 16 : x / c = 50 %, 포트 8 및 17 : x / c = 60 %, 포트 9 및 18 : x / c = 70 %, 및 포트 10 및 19 : x / c = 80 % (그림 2). 기마계 패널에는 24개의 기둥이 컬러 오일로 채워져 있고 물 인치 졸업으로 표시되어야 합니다.
- 공격 각도가 0°되도록 턴테이블을 회전합니다.
- 90mph에서 풍구를 실행하고 기마계를 판독하여 19개의 압력 측정을 모두 기록합니다.
- 4및 8°의 공격 각도에 대해 4단계와 5단계를 반복합니다.
익형은 항공기에서 리프트를 생성하는 2차원 날개 섹션입니다. 익형은 많은 기하학으로 제공되지만 모두 동일한 피쳐에 의해 설명됩니다. 앞가장자리는 최대 곡률을 가진 익선 앞면의 지점입니다. 그리고 마찬가지로, 후행 가장자리는 익형의 뒷면에서 최대 곡률의 지점입니다.
코드 라인은 선도 및 후행 가장자리를 연결하는 직선입니다. 코드 길이, c, 이 코드 라인의 길이이며 코드 길이의 백분율로 다른 방향으로 치수를 설명하는 데 사용됩니다.
여기서, 우리는 클라크 Y-14 익포일에 초점을 맞출 것이다, 이는 의 두께를 가지고 14% 화음 길이와 낮은 표면에 평평하다 30% 화음 다시 후행 가장자리. 다양한 공격 각도에서, 익형은 접근 공기 압에 대하여 상부 표면에 낮은 압력과 더 높은 압력을 생성합니다.
Bernoulli의 원리에 따르면, 이 압력 차는 곡면과 상호 작용하는 공기 분자에 기인하는 airfoil의 상부 및 하부 지역 사이 속도의 차이의 결과입니다. 상부 표면의 낮은 압력 영역은 낮은 표면의 고압 영역보다 더 높은 속도를 갖는다.
에어포일 의 표면에 평행한 전단 힘이 무시되면 전체 압력 힘이 리프트를 생성하는 것입니다. 우리는 압력 계수, Cp, 이 관계를 사용하여 익후일에 임의의 지점에 대한 정의 할 수 있습니다. 압력 계수는 유동장 전체의 상대적 압력을 설명하는 비차원 숫자입니다. P는 절대압력이고, P 무한은 자유스트림 압력이며, 로 무한대와 V 무한은 각각 자유 스트림 밀도와 속도이다.
선두 에지 위치를 제외하고 Cp에 의해 결정된 압력 력 방향은 낮은 각도에서 리프트와 같은 방향으로 약 가리킵니다. 따라서, 이러한 관계를 이용하여 물체 주위의 유체 흐름에 대한 생성된 리프트를 포함하는 비차원 리프트 계수, CL을 계산할 수 있다. 여기서, c는 코드 길이이고 x는 선두 가장자리로 0을 가진 수평 좌표 위치이다.
이 실험에서는 표면에 19개의 압력 탭이 있는 익형 표면의 압력 분포를 분석합니다. 각 압력 판독값은 액체 기미터를 사용하여 측정됩니다. 다양한 공격 각도에서 풍동의 기류에 익포일을 적용하여 압력 분포및 리프트를 측정합니다.
이 실험에서는 1피트의 테스트 섹션과 140mph의 최대 작동 공기 속도가 있는 공기역학풍동을 사용합니다. 모델 익형은 압력 튜브용 19개의 내장 포트가 있는 알루미늄 Clark Y-14 익포일입니다. 압력 포트의 위치는 여기에 표시됩니다. 포트 좌표는 포트의 위치를 코드 길이로 나누어 결정됩니다. 압력 포트는 유색 오일로 채워진 기마계 패널에 연결되어 있지만 수인치 졸업으로 표시됩니다.
먼저 테스트 섹션의 위쪽 덮개를 제거하고 턴테이블에 수직으로 익형을 설치하여 포트 넘버 원이 상류를 향하고 있는지 확인합니다. 테스트 섹션의 상단 덮개를 교체합니다. 익형 모델은 익선 주위에 개발 된 3D 흐름이 없는지 확인하기 위해 풍동 테스트 섹션의 바닥과 천장을 모두 만지고 있습니다.
19개의 라벨이 부착된 압력 튜브를 기마계의 해당 포트에 연결합니다. 이제 공격 각도가 0으로 회전합니다. 그런 다음 풍구를 켜고 풍속을 90mph로 설정합니다. 노트북에 모든 19 기압계 높이 판독값을 기록합니다.
이제 풍속터널을 끄고 공격 각도를 4°로 조정합니다. 그런 다음 풍구를 90mph의 풍속으로 다시 켜고 19개의 압력 포트 각각에 대한 기압계 판독값을 기록합니다. 마지막으로 90mph에서 측정을 반복하여 공격 각도가 8°입니다. 이전과 마찬가지로 모든 기마계 판독값을 기록합니다.
이제 데이터를 분석하는 방법을 살펴보겠습니다. 첫째, 델타 h가 노트북에 기록된 높이 판독값인 이 관계를 사용하여 각 기압에 대한 게이지 압력을 결정하고, 로 L은 오일의 밀도이며 g는 중력 가속입니다. 다음으로, 에어포일의 각 포트에 대해 비차원 압력 계수 인 Cp를 계산합니다.
압력 계수는 자유 스트림 밀도, 자유 스트림 속도 및 게이지 압력을 사용하여 표시된 대로 계산됩니다. 포트 좌표에 비해 음압 계수를 플롯해 봅시다. 첫째, 공격 각도가 0과 같기 때문에 플롯이 시각적으로 직관적으로 설정하기 위해 y축에 양수 Cp 대신 음수 Cp를 플롯합니다. 따라서, 상부 미량은 익형의 상부 표면에 대한 음의 압력을 전달하며, 아래쪽 추적은 하부 표면에 양압을 전달한다.
플롯에서, 우리는 압력이 최첨단 직후 크게 변경 되는 것을 볼 수 있습니다. 압력은 선두 가장자리 후 5 ~ 15 % 화음에 도달합니다. 그 결과, 리프트의 약 절반은 익형의 첫 1/4 화음 영역에서 생성된다. 공격의 세 가지 각도를 모두 보면, 우리는 선두 가장자리 후 유사한 압력 변화를 관찰.
또한 세 가지 경우 모두 상부 표면은 낮은 표면보다 더 많은 리프트를 기여합니다. 따라서 날개 상단에 깨끗하고 단단한 표면을 유지하는 것이 중요합니다. 대부분의 비행기가 날개 상단에있는 물체를 지워지는 이유입니다.
마구간이 발생하기 전에 공격 각도를 늘리면 어포형의 바닥과 위표면 간의 압력 차이가 높아져 리프트가 높아지립니다. 여기에 표시된 관계를 사용하여 각 공격 각도에 대한 리프트 계수를 계산할 수 있습니다. 리프트 계수는 생성된 리프트와 익형의 압력 분포와 관련이 있으며, 높은 공격 각도에 대해 예상대로 더 높습니다.
요약하면, 우리는 익형을 따라 압력 차이가 항공기에서 리프트를 생성하는 방법을 배웠습니다. 그런 다음 다양한 공격 각도에서 기류를 실시하는 Clark Y-14 익포일의 표면을 따라 압력 분포를 측정하고 리프트 계수를 계산했습니다.
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Results
랩의 결과는 표 1과 표 2에표시됩니다. 데이터는 0, 4 및 8°에서 공격 각도에 대해 압력 계수, Cp대 압력 포트 좌표, x/c를 보여 주며 도 3에플롯됩니다. 시각적으로 직관적이기 위해 음수 Cp 값이 가로 축 위에 플롯됩니다. 이는 상부 표면(차트의 상단 선)이 대부분 음압이고 낮은 표면(차트의 하단 라인)이 대부분 양압임을 보여주기 위한 것이다.
그림 3에서 압력은 앞가장자리 직후 크게 변경됩니다: 압력은 최소(또는 최대 절대) 값에 약 5% - 15% 화음 길이로 도달합니다. 그 결과, 리프트의 절반은 익선 화일의 화음 길이의 1 분기에 생성된다. 또한, 상부 표면은 낮은 표면보다 더 많은 리프트를 기여합니다 : 모든 3 의 경우, 상부 표면은 전체 리프트의 약 70 - 80 %에 기여합니다. 따라서 날개 상단에 깨끗하고 단단한 표면을 유지하는 것이 중요합니다.
| 압력 포트 # | 포트좌좌 x/c | 기마계에서 P 게이지 (물) | 계산된 압력 계수 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 |
표 1. 실험 결과는 공격 각도가 0입니다.
그림 3. 압력 계수 분포, Cp,대 위치 좌표, x/c.
| 공격 각도 | 리프트 계수 cl |
| 0° | 0.53 |
| 4° | 0.89 |
| 8° | 1.29 |
표 2. 리프트 계수, cl,압력 분포에 따라 추정 (Re = 2.34 x 105).
| 매개 변수 | 값 |
| 공기 밀도 θ | 0.00230 슬러그/피트3 |
| 수밀도 θL | 1.935 슬러그/피트3 |
| 중력 가속 g | 32.17 피트/s2 |
| 점도 m | 3.79 x 10-7 lbf*s/ft2 |
| 프리 스트림 공기 속도 V∞ | 90 mph |
| 레이놀즈 번호 Re | 2.34 x 105 |
| 코드 길이 c | 3.5 에서 |
표 3. 계산에 사용되는 매개 변수입니다.
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Applications and Summary
익형의 압력 분포는 선적의 성능을 특성화하기 위해 리프트 생성 및 중요한 정보와 직접 관련이 있습니다. 익형 설계자는 압력 분포를 조작하여 익형의 원하는 특성을 획득합니다. 따라서 압력 분배 정보는 항공기 개발 중 공기역학 분석의 기초입니다.
이 실험에서는, 클라크 Y-14의 압력 분포는 풍동에서 조사되었고, 19개의 압력 측정 포트는 익형의 상부 및 하부 표면을 따라 압력 분포를 찾기 위해 만들어졌다. 리프트 계수는 압력 분포 데이터에서도 합리적으로 계산됩니다.
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