Overview
Quelle: David Guo, College of Engineering, Technology, and Aeronautics (CETA), Southern New Hampshire University (SNHU), Manchester, New Hampshire
Eine Tragfläche ist ein zweidimensionaler Flügelabschnitt, der kritische Flügelleistungsmerkmale darstellt. Die Druckverteilung und der Hubkoeffizient sind wichtige Parameter, die das Verhalten von Tragflächen charakterisieren. Die Druckverteilung steht in direktem Zusammenhang mit dem aufzug, der durch Tragflächen erzeugt wird. Ein Clark Y-14 Tragblatt, das in dieser Demonstration verwendet wird, hat eine Dicke von 14% und ist auf der unteren Oberfläche von 30% der Akkordlänge nach hinten flach.
Hier zeigen wir, wie die Druckverteilung um ein Tragflächenboot mit einem Windkanal gemessen wird. Ein Clark Y-14 Tragflächenmodell mit 19 Druckanschlüssen wird verwendet, um Druckdaten zu sammeln, die zur Schätzung des Hubkoeffizienten verwendet werden.
Principles
Ein Tragflächenflügel entwickelt einen Hub in verschiedenen Angriffswinkeln durch geringere Drucke auf der Oberseite und höhere Drucke auf der unteren Oberfläche in Bezug auf den Druck der herannahenden Luft (Freistromdruck). Wenn die Scherkräfte parallel zur Oberfläche des Tragflächens vernachlässigt werden (in der Regel sind ihre Zuwendungen zum Heben gering), dann ist die Gesamtdruckkraft der Grund für den durch die Tragfläche erzeugten Hub. Abbildung 1 zeigt einen Schaltplan der Druckverteilung über ein Tragflächenboot.
Abbildung 1. Druckverteilung über ein Tragflächenboot.
Der nichtdimensionale Druckkoeffizient Cpfür einen beliebigen Punkt auf der Tragfläche ist definiert wie folgt:
(1)
wobei P der absolute Druck ist, P- der ungestörte Freistromdruck, Pgage = P - P- der Gagedruck ist, und 
ist der dynamische Druck, der auf der Freistromdichte basiert, -und Fluggeschwindigkeit, V.
Der nichtdimensionale Hebekoeffizient Cl ist ähnlich definiert:
(2)
wobei L' der Aufzug pro Spanneinheit und c die Akkordlänge des Tragflächenflügels ist.
Bis auf Punkte entlang der Vorderkante zeigen die Druckkräfte gleichmäßig nach oben, in etwa die gleiche Richtung wie der Aufzug. Daher kann bei kleinen Angriffswinkeln der Hubkoeffizient geschätzt werden durch:
(3)
wobei x die horizontale Koordinatenposition mit Ursprung ab der Vorderkante ist.
Die Airfoil-Performance berücksichtigt die Reynolds-Nummer Re, die wie folgt definiert ist:
(4)
wobei der neue Parameter die Dynamikviskosität der Flüssigkeit ist.
Hierbei wird die Gesamtdruckverteilung entlang der Tragfläche mit 19 im Flügel eingebetteten kleinen Rohren gemessen und an einem Druckwandler befestigt. Eine Clark Y-14 Tragfläche ist in Abbildung 2 dargestellt. Es hat eine Dicke von 14% und ist flach auf der unteren Oberfläche von 30% der Akkordlänge nach hinten.
Abbildung 2. Tragflächenprofil eines Clark Y-14 Flügels mit Standorten von Messgerätendruckanschlüssen.
Die Messdrücke werden mit einem Manometer-Panel mit 24 Säulen gemessen, die mit flüssigem Öl gefüllt sind, das mit Wasserzollgradabstufungen gekennzeichnet ist. Die Messdruckmessung wird anhand der folgenden Gleichung bestimmt:
(5)
wobei der Höhenunterschied des Manometers mit Bezug auf den Freistromdruck beih ist, ist L die Dichte der Flüssigkeit im Manometer und g die Beschleunigung aufgrund der Schwerkraft.
Sobald die Druckverteilung erreicht ist, kann der nichtdimensionale Hebekoeffizient Clnumerisch bestimmt werden, um Gleichung 3 auszuwerten:
(6)
wobei xi das Inkrement zwischen zwei benachbarten Ports ist.
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Procedure
- Entfernen Sie die obere Abdeckung des Testabschnitts, um das Clark Y-14-Modell zu installieren (Akkordlänge, c = 3,5 in). Der Testabschnitt sollte 1 ft x 1 ft betragen und der Windkanal sollte in der Lage sein, eine maximale Fluggeschwindigkeit von 140 mph zu halten.
- Montieren Sie das Aluminium-Modell Clark Y-14 auf dem Plattenspieler im Testbereich, sodass der Port #1 stromaufwärts ausgerichtet ist. Ersetzen Sie die obere Abdeckung. Beachten Sie, dass das Modell sowohl den Boden als auch die Decke des Windkanal-Testabschnitts berührt, so dass sich kein 3D-Fluss um das Tragblatt entwickelt.
- Schließen Sie die 19 Druckrohre mit der Bezeichnung 1 - 19 an die entsprechenden Anschlüsse des Manometerpanels an. Die Anschlüsse des Clark Y-14-Modells befinden sich wie folgt: Port 1: x/c = 0 (rechts am Vorderrand), Ports 2 und 11: x/c = 5%, Ports 3 und 12: x/c = 10%, Ports 4 und 13: x/c = 20%, Ports 5 und 14: x/c = 30% Ports 6 und 15 : x/c = 40%, Ports 7 und 16: x/c = 50%, Ports 8 und 17: x/c = 60%, Ports 9 und 18: x/c = 70% und Ports 10 und 19: x/c = 80% (Abbildung 2). Das Manometer-Panel sollte 24 Säulen mit farbigem Öl gefüllt und mit Wasser-Zoll-Graduierungen markiert haben.
- Drehen Sie den Drehteller so, dass der Angriffswinkel 0° beträgt.
- Führen Sie den Windkanal mit 90 mph und zeichnen Sie alle 19 Druckmessungen auf, indem Sie das Manometer lesen.
- Wiederholen Sie die Schritte 4 und 5 für Angriffswinkel von 4 und 8°.
Eine Tragfläche ist ein zweidimensionaler Flügelabschnitt, der in einem Flugzeug Auftrieb erzeugt. Airfoils gibt es in vielen Geometrien, aber sie werden alle durch die gleichen Merkmale beschrieben. Die Vorderkante ist der Punkt an der Vorderseite des Tragflächenflügels mit maximaler Krümmung. Und in ähnlicher Weise ist die hintere Kante der Punkt der maximalen Krümmung auf der Rückseite des Tragflächenflügels.
Die Akkordlinie ist eine gerade Linie, die die führenden und nachfolgenden Kanten verbindet. Die Akkordlänge c ist die Länge dieser Akkordlinie und wird verwendet, um die Bemaßungen in anderen Richtungen als Prozentsätze der Akkordlänge zu beschreiben.
Hier konzentrieren wir uns auf die Clark Y-14 Tragfläche, die eine Dicke von 14% Akkordlänge hat und auf der unteren Oberfläche von 30% Akkord zurück zur Hinterkante flach ist. Bei verschiedenen Angriffswinkeln erzeugt die Tragfläche geringere Drücke auf der Oberseite und höhere Drücke auf der Bodenoberfläche in Bezug auf den herannahenden Luftdruck.
Nach dem Bernoulli-Prinzip ist dieser Druckunterschied auf Geschwindigkeitsunterschiede zwischen dem oberen und unteren Bereich der Tragfläche zurückzuführen, die durch Luftmoleküle verursacht werden, die mit den gekrümmten Oberflächen interagieren. Der untere Druckbereich auf der oberen Oberfläche hat eine höhere Geschwindigkeit als der höhere Druckbereich auf der unteren Oberfläche.
Wenn die Scherkräfte parallel zur Oberfläche der Tragfläche vernachlässigt werden, dann erzeugt die Gesamtdruckkraft einen Auftrieb. Wir können den Druckkoeffizienten Cp für einen beliebigen Punkt auf dem Tragflächenboot unter Verwendung dieser Beziehung definieren. Der Druckkoeffizient ist eine nicht dimensionale Zahl, die die relativen Drücke in einem Strömungsfeld beschreibt. P ist der absolute Druck, P unendlich ist der Freistromdruck, und Rho-Unendlichkeit und V-Unendlichkeit sind die freie Strömungsdichte bzw. -geschwindigkeit.
Mit Ausnahme von Führendenkantenpositionen zeigen die von Cp bestimmten Druckkraftrichtungen ungefähr in die gleiche Richtung wie das Heben bei niedrigen Angriffswinkeln. So können wir einen nicht-dimensionalen Aufzugskoeffizienten, CL, berechnen, der den erzeugten Hub mit dem Flüssigkeitsfluss um das Objekt mithilfe dieser Beziehung in Beziehung setzt. Hier ist c die Akkordlänge und x die horizontale Koordinatenposition mit Null als Vorderkante.
In diesem Experiment analysieren wir die Druckverteilung auf der Oberfläche eines Tragflächen, das 19 Druckhähne auf seiner Oberfläche hat. Jeder der Druckmesswerte wird mit einem flüssigen Manometer gemessen. Sie messen die Druckverteilung und den Hub, indem Sie die Tragfläche in einem Windkanal in verschiedenen Angriffswinkeln dem Luftstrom unterwerfen.
Für dieses Experiment verwenden Sie einen aerodynamischen Windkanal mit einem Testabschnitt von 1 ft mal 1 ft und einer maximalen Betriebsluftgeschwindigkeit von 140 mph. Das Modell-Airfoil ist ein Aluminium Clark Y-14 Tragfläche mit 19 eingebauten Anschlüssen für Druckrohre. Die Standorte der Druckanschlüsse werden hier angezeigt. Die Port-Koordinate wird bestimmt, indem die Position des Ports durch die Akkordlänge dividiert wird. Die Druckanschlüsse sind mit einem Manometer-Panel verbunden, das mit farbigem Öl gefüllt, aber als Wasser-Zoll-Gradider markiert ist.
Entfernen Sie zunächst die obere Abdeckung des Testabschnitts, und installieren Sie das Tragblatt vertikal auf dem Plattenspieler, um sicherzustellen, dass Port Nummer eins vorgelagert ist. Ersetzen Sie die obere Abdeckung des Testabschnitts. Beachten Sie, dass das Tragflächenmodell sowohl den Boden als auch die Decke des Windkanal-Testabschnitts berührt, um sicherzustellen, dass sich kein 3D-Fluss um das Tragblatt herum entwickelt.
Schließen Sie die 19 beschrifteten Druckrohre an die entsprechenden Anschlüsse des Manometers an. Drehen Sie nun die Drehscheibe, damit der Angriffswinkel Null ist. Dann schalten Sie den Windkanal ein und stellen Sie die Windgeschwindigkeit auf 90 mph. Zeichnen Sie alle 19 Manometer Höhenwerte in Ihrem Notebook auf.
Schalten Sie nun den Windkanal aus und stellen Sie den Angriffswinkel auf 4° ein. Dann drehen Sie den Windkanal wieder mit der Windgeschwindigkeit bei 90 mph und zeichnen Sie die Manometerwerte für jeden der 19 Druckanschlüsse auf. Wiederholen Sie schließlich die Messung bei 90 mph für einen Angriffswinkel von 8°. Wie zuvor, nehmen Sie alle Manometer-Messungen auf.
Werfen wir nun einen Blick auf die Analyse der Daten. Bestimmen Sie zunächst den Messwertdruck für jeden der Manometerhöhenwerte anhand dieser Beziehung, wobei Delta h der höhengemessene Wert in Ihrem Notizbuch ist, rho L die Dichte des Öls und g die Gravitationsbeschleunigung ist. Als Nächstes berechnen Sie den nichtdimensionalen Druckkoeffizienten Cp für jeden Port auf der Tragfläche.
Der Druckkoeffizient wird anhand der Freistromdichte, der Freistromgeschwindigkeit und des Gagedrucks berechnet. Zeichnen wir den negativen Druckkoeffizienten im Vergleich zur Portkoordinate. Zunächst zeichnen wir für einen Angriffswinkel gleich Null einen negativen Cp anstelle von positivem Cp auf der y-Achse, damit die Handlung visuell intuitiver ist. So vermittelt die obere Spur die Unterdrücke auf die Oberseite des Tragflächenflügels, und die Bodenspur vermittelt die positiven Drücke auf der unteren Oberfläche.
Aus der Handlung können wir sehen, dass sich der Druck direkt nach der Vorderkante drastisch ändert. Der Druck erreicht seinen Mindestwert um 5 bis 15% Akkord nach der Vorderkante. Dadurch entsteht etwa die Hälfte des Aufzugs im ersten 1/4-Akkordbereich des Tragflächens. Betrachtet man alle drei Angriffswinkel, beobachten wir eine ähnliche Druckänderung nach der Vorderkante.
Darüber hinaus trägt in allen drei Fällen die obere Oberfläche zu mehr Auftrieb bei als die untere Oberfläche. Daher ist es wichtig, eine saubere und starre Oberfläche auf der Oberseite des Flügels zu erhalten. Aus diesem Grund werden die meisten Flugzeuge von Gegenständen auf der Oberseite des Flügels befreit.
Vor dem Stillstand führt die Erhöhung des Angriffswinkels zu höheren Druckunterschieden zwischen der unteren und oberen Oberfläche des Tragflächen, wodurch ein höherer Hub erzeugt wird. Wir können den Hubkoeffizienten für jeden Angriffswinkel anhand der hier gezeigten Beziehung berechnen. Der Hubkoeffizient bezieht den erzeugten Hub mit der Druckverteilung auf dem Tragflächenflügel in Beziehung und ist bei höheren Angriffswinkeln erwartungsgemäß höher.
Zusammenfassend haben wir gelernt, wie Druckunterschiede entlang einer Tragfläche in einem Flugzeug aufsteigen. Anschließend haben wir die Druckverteilung entlang der Oberfläche einer Clark Y-14-Luftfolie gemessen, die einem Luftstrom in verschiedenen Angriffswinkeln ausgesetzt war, und die Hubkoeffizienten berechnet.
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Results
Die Ergebnisse der Übungseinheit sind in Tabelle 1 und Tabelle 2dargestellt. Die Daten werden in Abbildung 3dargestellt, die den Druckkoeffizienten Cp, im Vergleich zur Druckport-Koordinate, x/c, für Angriffswinkel bei 0, 4 und 8° anzeigt. Um optisch intuitiver zu sein, werden die negativen Cp-Werte über der horizontalen Achse dargestellt. Dies soll zeigen, dass die obere Fläche (die obere Linie des Diagramms) meist untere Drücke und die untere Fläche (die untere Linie des Diagramms) meist positive Drücke ist.
Ab Abbildung 3 ändert sich der Druck unmittelbar nach der Vorderkante deutlich: Der Druck erreicht seine minimalen (oder maximalen absoluten) Werte bei ca. 5% - 15% Akkordlänge. Dadurch entsteht im ersten Quartal der Akkordlänge des Tragflächenflügels die Hälfte des Aufzugs. Darüber hinaus trägt die obere Oberfläche mehr Auftrieb bei als die untere Oberfläche: In allen 3 Fällen trug die obere Oberfläche zu etwa 70 - 80% des Gesamtauftriebs bei. Daher ist es wichtig, eine saubere und starre Oberfläche auf der Oberseite des Flügels zu halten.
| Druckanschluss # | Ports-Koordinaten x/c | Pgage aus Manometer (in. Wasser) | Berechneter Druckkoeffizient 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 |
Tabelle 1. Experimentelle Ergebnisse bei Nullwinkel des Angriffs.
Abbildung 3. Druckkoeffizientenverteilung, Cp, vs Positionskoordinate, x/c.
| Angriffswinkel | Hubkoeffizient cl |
| 0° | 0.53 |
| 4° | 0.89 |
| 8° | 1.29 |
Tabelle 2. Hubkoeffizient, cl, geschätzt auf der Grundlage der Druckverteilung (Re = 2,34 x 105).
| rahmen | Werte |
| Luftdichte | 0,00230 nackt/ft3 |
| Wasserdichte L | 1.935 schnappen/ft3 |
| Gravitationsbeschleunigung g | 32,17 ft/s2 |
| Viskosität m | 3,79 x 10-7 lbf*s/ft2 |
| Freistrom-Fluggeschwindigkeit V | 90 mph |
| Reynolds-Nummer Re | 2,34 x 105 |
| Akkordlänge c | 3.5 in |
Tabelle 3. Parameter, die für Berechnungen verwendet werden.
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Applications and Summary
Druckverteilungen auf Tragflächen stehen in direktem Zusammenhang mit der Aufzugserzeugung und wichtigen Informationen zur Charakterisierung der Leistung von Tragflächen. Airfoil-Designer manipulieren Druckverteilungen, um die gewünschten Eigenschaften von Tragflächen zu erhalten. Daher sind Druckverteilungsinformationen die Grundlage der Aerodynamikanalyse während der Flugzeugentwicklung.
In diesem Experiment wurde die Druckverteilung von Clark Y-14 in einem Windkanal untersucht und die 19 Druckmessstellen wurden durchgeführt, um die Druckverteilung entlang der oberen und unteren Oberfläche des Tragflächens zu finden. Der Hubkoeffizient wird auch vernünftig aus Dendruckverteilungsdaten berechnet.
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