Overview
Fonte: David Guo, College of Engineering, Technology, and Aeronautics (CETA), Southern New Hampshire University (SNHU), Manchester, New Hampshire
Un'ala è il principale apparato generatore di sollevamento in un aereo. Le prestazioni alari possono essere ulteriormente migliorate implementando dispositivi ad alto sollevamento, come flap (sul bordo d'uscita) e lamelle (sul bordo anteriore) durante il decollo o l'atterraggio.
In questo esperimento, una galleria del vento viene utilizzata per generare determinate velocità dell'aria e un'ala Clark Y-14 con un lembo e una lamella viene utilizzata per raccogliere e calcolare dati, come il coefficiente di portanza, resistenza e momento di beccheggio. Un profilo alare Clark Y-14 è mostrato nella Figura 1 e ha uno spessore del 14% ed è piatto sulla superficie inferiore dal 30% della corda sul retro. Qui, i test in galleria del vento vengono utilizzati per dimostrare come le prestazioni aerodinamiche di un'ala Clark Y-14 siano influenzate da dispositivi ad alta portanza, come flap e lamelle.
Figura 1. Profilo del profilo alare Clark Y-14.
Principles
La velocità di un aereo è relativamente bassa durante il decollo e l'atterraggio. Per generare una portanza sufficiente, è necessario aumentare l'area dell'ala e/o modificare la forma del profilo alare sui bordi anteriori e posteriori dell'ala. Per fare questo, le lamelle vengono utilizzate sul bordo d'avanti e le alette vengono utilizzate sul bordo d'uscita. I lembi e le lamelle possono muoversi dentro o fuori dalle ali. La distribuzione dei lembi e delle lamelle ha due effetti; aumenta l'area alare e l'efficace camber del profilo alare, che aumenta la portanza. Inoltre, il dispiegamento di flap e lamelle aumenta anche il dragof dell'aereo. La Figura 2 mostra le configurazioni di crociera, decollo e atterraggio di un'ala con un lembo e una lamella.
Figura 2. Varie configurazioni di flap e lamelle alari.
Durante il volo, l'ala di un aereo è continuamente sottoposta a una forza e a un momento aerodinamici risultanti, come mostrato nella Figura 3 (a). La forza risultante, R, può essere scomposa in due componenti. Tipicamente, un componente è lungo la direzione della velocità del flusso lontano, V∞, che è chiamato trascinamento, D, e l'altro componente è perpendicolare alla direzione, che è chiamato sollevamento, L.
Il momento, M, muove il muso dell'aereo su o giù, quindi, è chiamato il momento di lancio. Nei test in galleria del vento, le forze normali e assiali sono in genere misurate direttamente. Le forze normali, Ne assiali, A, sono correlate al sollevamento e alla trascinamento attraverso l'angolo di attacco, α, come mostrato nella Figura 3 (b). L'angolo di attacco, è definito come l'angolo tra la direzione della velocità del flusso lontano e la corda del profilo alare.
Figura 3(a). Forza aerodinamica e momento risultanti.
Figura 3(b). La decomposizione della forza risultante, R.
Le due coppie di forze possono anche essere espresse come segue:
dove α è l'angolo di attacco.
Il coefficiente di portanza non dimensionale, C L, per un'ala è definito come:
dove L è la portanza, 
è la pressione dinamica basata sulla densità del flusso libero, ρ∞e velocità dell'aria, V∞e S è l'area di riferimento dell'ala.
Allo stesso modo, il coefficiente di resistenza non dimensionale per un'ala è definito come:
La forza aerodinamica risultante dalla portanza e dalla resistenza si trova in un punto dell'ala (o profilo alare) chiamato centro di pressione. Tuttavia, la posizione del centro di pressione non è una posizione fissa, piuttosto, si muove in base all'angolo di attacco. Pertanto, è conveniente spostare tutte le forze e i momenti approssimativamente al punto del quarto di accordo (una distanza 1/4 della lunghezza dell'accordo dal bordo d'avanti). Questo è chiamato il momento di pitching su quarto di accordo, Mc / 4.
Figura 4. Momento di pitching a proposito di quarto di accordo.
Il coefficiente del momento di pitching, CM,c/4, circa un quarto di corda è definito come:
dove Mc/4 è il momento di pitching di circa un quarto di accordo, e c è la lunghezza dell'accordo dell'ala.
Le prestazioni dell'ala si basano sul numero di Reynolds, Re, che è definito come:
dove il parametro μ è la viscosità dinamica del fluido.
In questa dimostrazione, le prestazioni di un'ala Clark Y-14 con un semplice flap e una semplice lamella vengono valutate in una galleria del vento, come mostrato nella Figura 4. L'ala è installata su un dispositivo chiamato bilanciamento della puntura, che è mostrato nella Figura 5 e misura la forza normale, N, e la forza assiale, A.
Figura 5. Ala Clark Y-14 con un lembo e una lamella.
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Procedure
- Per questa procedura, utilizzare una galleria del vento aerodinamica con una sezione di prova di 1 ft x 1 ft e una velocità massima di funzionamento di 140 mph. La galleria del vento deve essere dotata di un sistema di acquisizione dati (in grado di misurare angolo di attacco, forza normale, forza assiale e momento di beccheggio) e di un bilanciamento pungente.
- Aprire la sezione di prova e installare l'ala sulla bilancia della puntura. Inizia con una configurazione dell'ala pulita.
- Posizionare un inclinometro portatile sulla bilancia della puntura e regolare la manopola di regolazione dell'angolo del passo per impostare il passo del bilanciamento della puntura su orizzontale.
- Con il bilanciamento orizzontale della puntura, tarare l'angolo di attacco (si chiama angolo di inclinazione nel pannello di visualizzazione dei dati del computer della galleria del vento).
- Tara tutte le letture di forza, momento e velocità dell'aria a zero angolo di attacco.
- Regola l'angolo di attacco a -8° e non raccogliere misurazioni del vento registrando tutte le letture normali della forza, della forza assiale e del momento di beccheggio.
- Ripetere le misurazioni senza vento per angoli di inclinazione compresi tra -8° e 18°, con incrementi di 2°.
- Riportare l'angolo di attacco a -8° e far funzionare la galleria del vento a 60 mph. Raccogli le letture della forza normale, della forza assiale e del momento di beccheggio da -8° a 18° con incrementi di 2°.
- Regolare l'ala alla seconda configurazione con la lamella regolata per avere circa 3/8 di slot. Ripetere i passaggi da 3 a 8.
- Regolare l'ala alla terza configurazione, con il flap impostato a 45° rispetto alla linea di corda, e la lamella non dispiegata. Ripetere i passaggi da 3 a 8.
- Regolare l'ala alla quarta configurazione con la lamella e il flap dispiegati (Figura 5). Ripetere i passaggi da 3 a 8.
L'ala è l'apparato principale che genera sollevamento in un aereo e la sua geometria è la chiave per le sue prestazioni. Innanzitutto, ricorda che la portanza è una forza aerodinamica generata da un differenziale di pressione tra le superfici superiore e inferiore. La portanza totale è proporzionale alla superficie dell'ala. Pertanto, una superficie più elevata si traduce in una maggiore portanza.
La portanza è anche influenzata dalla geometria della sezione trasversale dell'ala, chiamata profilo alare. Ricordiamo che la linea di accordi del profilo alare collega i bordi anteriori e posteriori. Un'altra proprietà chiamata camber descrive l'asimmetria tra le due superfici. La maggior parte delle ali ha un camber positivo, il che significa che sono convesse. Come per la superficie, l'aumento del camber si traduce in un aumento della portanza.
Poiché la velocità del vento è relativamente lenta durante il decollo e l'atterraggio, la superficie e il camber vengono aumentati implementando dispositivi sui bordi di testa e di seguito dell'ala al fine di generare una portanza sufficiente. Il dispositivo sul bordo anteriore del profilo alare è chiamato lamella, mentre il dispositivo sul bordo d'uscita è chiamato lembo. Lamelle e alette possono muoversi dentro o fuori dalle ali secondo necessità.
Mentre il dispiegamento di lamelle e flap aumenta la portanza, aumenta anche la forza di trascinamento sull'aeromobile, che agisce in opposizione al sollevamento. Possiamo quantificare entrambe queste forze calcolando il coefficiente di portanza e il coefficiente di resistenza come mostrato, dove L e D sono rispettivamente portanza e resistenza. Rho infinito e V infinito sono la densità e la velocità del flusso libero, mentre S è l'area di riferimento dell'ala.
Il sollevamento, come forza distributiva in natura, può essere equalizzato o semplificato in una singola forza concentrata situata al centro della pressione. Tuttavia, al cambio dell'angolo di attacco, questa posizione si sposta in avanti o a poppa. Quindi, invece, ci riferiamo al centro aerodinamico dell'ala quando discutiamo di forze.
Il centro aerodinamico dell'ala è la posizione in cui il coefficiente del momento di beccheggio è effettivamente invariato da vari angoli di attacco. Un altro modo tipico per esprimere il momento di pitching è usare il coefficiente del momento di pitching. Questo coefficiente adimensionale è calcolato come mostrato, dove M C/4 è il momento di beccheggio intorno al punto di accordo 1/4.
Nella nostra dimostrazione, misuriamo il momento di beccheggio a un accordo di 1/4, che è vicino al centro aerodinamico dell'ala. In questo esperimento, studieremo un profilo alare Clark Y-14 con un semplice piatto e una lamella a vari angoli di attacco. Analizzeremo quindi il momento di sollevamento, trascinamento e beccheggio per determinare le caratteristiche delle prestazioni in ogni configurazione.
Per questo esperimento, utilizzare una galleria del vento aerodinamica con una sezione di prova di 1 ft per 1 ft e una velocità massima operativa di 140 mph. La galleria del vento deve essere dotata di un sistema di acquisizione dati e di una bilancia a pungiglione, che misura sia le forze normali che assiali.
Ora, ottieni un modello di ala Clark Y-14 con un lembo e una lamella attaccati. Inizia il test con la configurazione dell'ala pulita, il che significa che né il flap né la lamella sono schierati. Ora apri la sezione di prova e installa l'ala sulla bilancia della puntura.
Azionare la manopola di regolazione dell'angolo di inclinazione sotto la sezione di prova della galleria del vento per regolare il passo del bilanciamento del pungiglione in orizzontale. Utilizzare un inclinometro portatile per misurare l'angolo di inclinazione e regolare il passo per raggiungere una lettura pari a zero. Chiudere la sezione di prova e tarare l'angolo di inclinazione nel display della galleria del vento. Quindi, tarare tutte le letture di forza, momento e velocità dell'aria sul sistema di acquisizione dati.
Ora, regola l'angolo di inclinazione, chiamato anche angolo di attacco, a meno 8 °, ed effettua una misurazione senza vento registrando tutte le letture della forza assiale, della forza normale e del momento di beccheggio. Ripeti le misurazioni senza vento per angoli di inclinazione che vanno da meno 8 a 18 ° con incrementi di 2 °. Quando tutte le misurazioni senza vento sono state effettuate, riportare l'angolo di inclinazione a meno 8°.
Ora, accendi la galleria del vento e aumenta la velocità dell'aria a 60 mph. Prendi le letture della forza assiale, della forza normale e del momento di beccheggio per angoli di inclinazione che vanno da meno 8 ° a 18 °, con incrementi di 2 °. Dopo aver completato tutte le misurazioni con l'ala pulita, spegnere la galleria del vento e aprire la sezione di prova.
Regola l'ala su una nuova configurazione, con la lamella regolata per avere circa 3/8 di pollice di slot. Esegui l'esperimento esattamente allo stesso modo dell'ala pulita, effettuando prima misurazioni senza vento a meno 8 - 18 ° di angoli di passo con incrementi di 2 °. Quindi raccogliere le stesse misurazioni a 60 mph.
Dopo aver completato queste misurazioni, modificare l'ala in una terza configurazione con i flap impostati a 45° rispetto alla linea di corda e la lamella non dispiegata. Quindi eseguire nuovamente le misurazioni come prima. Infine, regola l'ala alla quarta configurazione, dove sono schierati sia la lamella che il flap, e ripeti l'esperimento.
Ora interpretiamo i risultati. Per analizzare i dati, calcoleremo prima il coefficiente di portanza non dimensionale a ciascun angolo di passo, che è definito come mostrato. Rho infinito è la densità del flusso libero, V infinito è la velocità del flusso libero e S è l'area di riferimento dell'ala. Tutti questi valori sono noti.
Lift, L, è calcolato come una relazione di due coppie di forze, dove N è la forza normale e A è la forza assiale. Entrambi sono stati misurati dall'equilibrio della puntura. Alpha è l'angolo di attacco, chiamato anche angolo di pitch, in questo esperimento. Ora, diamo un'occhiata a un grafico del coefficiente di portanza rispetto all'angolo di passo per ciascuna delle quattro configurazioni.
Confrontando le curve di configurazione dell'ala pulita e della lamella, vediamo che le due curve si sovrappongono quasi a bassi angoli di attacco. Tuttavia, la curva di sollevamento dell'ala pulita raggiunge il picco di circa 12 °, ma la curva della lamella continua ad aumentare. Ciò indica che una lamella può essere utilizzata per aumentare la portanza. Se confrontiamo le curve di sollevamento dell'ala pulita e del flap, vediamo che il flap aumenta la portanza sull'intero angolo di attacco. Se sia la lamella che il lembo vengono distribuiti contemporaneamente, il vantaggio di entrambi i dispositivi viene combinato e la portanza massima è ancora più elevata.
Quindi, calcola il coefficiente di resistenza per ciascun angolo, che è definito come mostrato. La resistenza, D, è anche definita come una relazione delle coppie di forze normali e assiali. Confrontando il coefficiente di resistenza per ogni configurazione, vediamo che la resistenza aumenta notevolmente con il lembo e la lamella dispiegati. La forza aerodinamica risultante, R, dalla resistenza e dalla portanza si trova su un punto dell'ala chiamato centro di pressione.
Il centro di pressione non è una posizione fissa, ma si muove invece con un angolo di attacco mutevole. Pertanto, è più conveniente calcolare tutte le forze e i momenti intorno al punto di accordo 1/4. Quindi, usando il momento di pitching a 1/4 di accordo, che viene misurato dal saldo della puntura, possiamo calcolare il coefficiente del momento di pitching come mostrato.
Infine, osservando il coefficiente del momento di beccheggio per ogni configurazione e angolo di beccheggio, vediamo che il coefficiente del momento di beccheggio entra nel regime negativo con il lembo schierato. Ciò significa che il centro di pressione si sposta verso il bordo d'uscita con il lembo dispiegato.
In sintesi, abbiamo imparato come gli apparecchi di generazione di sollevamenti vengono utilizzati per migliorare le prestazioni degli aeromobili. Abbiamo quindi valutato un'ala Clark Y-14 in una galleria del vento per vedere come un lembo e una lamella influenzano il sollevamento, la resistenza e il momento di beccheggio.
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Results
I risultati della configurazione dell'ala pulita sono mostrati nella Tabella 1. Le figure 6 - 8 mostrano tutti e tre i coefficienti rispetto all'angolo di attacco, α, per tutte e quattro le configurazioni. Dalla Figura 6, sia il lembo che la lamella hanno migliorato il coefficiente di sollevamento, ma in modi diversi. Confrontando l'ala pulita e la curva di sollevamento della lamella, le due curve si sovrappongono quasi a bassi angoli di attacco. La curva di sollevamento dell'ala pulita raggiunge il picco a circa 0,9 a 12°, ma la curva della lamella continua a salire a 1. 4 a 18°. Ciò indica che le lamelle possono essere utilizzate per aumentare la portanza. Quando si confrontano le curve di sollevamento pulite dell'ala e del lembo, il lembo aumenta la portanza sull'intero angolo di attacco. E se sia la lamella che il lembo vengono dispiegati contemporaneamente, l'effetto è cumulativo e la portanza massima è ancora più alta.
Confrontando il coefficiente di resistenza per ogni configurazione nella Figura 7, il coefficiente di resistenza aumenta notevolmente quando vengono distribuiti sia il lembo che la lamella. Infine, come mostrato nella Figura 8, il coefficiente del momento di beccheggio entra nel regime negativo quando il lembo viene dispiegato. Ciò significa che il centro di pressione si sposta verso il bordo d'uscita con il lembo dispiegato.
Tabella 1. Risultati sperimentali per la configurazione dell'ala pulita.
| Angolo di attacco (°) | Coefficiente di portanza, CL | Coefficiente di resistenza, CD | Coefficiente del momento di beccheggio, CM,c/4 |
| -8 | -0.022 | 0.015 | -0.129 |
| -6 | -0.029 | 0.014 | -0.059 |
| -4 | 0.096 | 0.016 | -0.059 |
| -2 | 0.208 | 0.011 | -0.054 |
| 0 | 0.353 | 0.006 | -0.065 |
| 2 | 0.460 | 0.004 | -0.053 |
| 4 | 0.548 | 0.032 | -0.051 |
| 6 | 0.708 | 0.015 | -0.062 |
| 8 | 0.789 | 0.025 | -0.061 |
| 10 | 0.849 | 0.031 | -0.061 |
| 12 | 0.873 | 0.045 | -0.056 |
| 14 | 0.856 | 0.058 | -0.089 |
| 16 | 0.803 | 0.080 | -0.125 |
| 18 | 0.803 | 0.092 | -0.128 |
Figura 6. Coefficiente di portanza vs angolo di attacco, α.
Figura 7. Coefficiente di resistenza rispetto all'angolo di attacco, α.
Figura 8. Coefficiente del momento di lancio vs angolo di attacco, α.
Tabella 2. Parametri utilizzati per i calcoli.
| 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∞ | 60 mph |
| Numero di Reynolds, Re | 1,56 x 105 |
| Lunghezza dell'accordo, c | 3,5 pollici |
| Superficie alare, S | 35 in2 |
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Applications and Summary
La generazione di ascensori può essere migliorata dall'implementazione di dispositivi ad alto sollevamento, come alette e lamelle. La maggior parte degli aerei sono dotati di flap e tutti gli aerei da trasporto commerciale hanno sia flap che doghe. È fondamentale caratterizzare le prestazioni di un'ala con alette e lamelle durante lo sviluppo dell'aeromobile.
In questa dimostrazione, un'ala Clark Y-14 con un flap e una lamella è stata valutata in una galleria del vento. Le misure delle forze e dei momenti sono state raccolte per determinare i coefficienti di portanza, resistenza e momento di beccheggio dell'ala con e senza flap e slat deployment. I risultati dimostrano che il coefficiente di sollevamento aumenta quando il lembo e la lamella vengono dispiegati. Tuttavia, questo ha anche comportato un drammatico aumento del momento di trascinamento e pitching.
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References
- John D. Anderson (2017), Fundamentals of Aerodynamics, 6th Edition, ISBN: 978-1-259-12991-9, McGraw-Hill
