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水洞における流れの可視化:デルタウィング上の最先端渦の観察

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航空機の翼とその設計は、航空機の性能特性を定義するために不可欠です。デルタウィングは、トランスおよび超音速飛行体制で優れた性能を発するため、高速飛行機で人気のデザインです。

デルタ翼は、平均コード長で割った翼スパンとして定義される小さなアスペクト比を有する。デルタウィングの場合、これはルートコードの長さの1/2です。長方形の翼や掃引テーパー翼のような他の一般的な翼の設計は、より高いアスペクト比を持っています。

デルタウィングには、25%の弦線と横軸の間の角度として定義される高いスイープ角度もあります。これらの翼特性は、高い亜音速、トランソニック、および超音速飛行体制での抗下を減らします。重要なことに、デルタ翼は高い縦横比の翼と比較して高い失速角を有する。

エアロダイナミクスでは、失速角度は攻撃角度が高すぎるポイントであり、揚力が低下します。デルタ翼の高い失速角度は、渦リフトと呼ばれる翼上の最先端の渦による高い揚力によるものです。渦リフトは、デルタ翼が攻撃の高い角度にさらされると発生し、長方形の翼の場合と同様に、後縁付近で下流に発生するのではなく、翼の前端で流れの分離が行われます。

最先端の渦のロールアップは、翼の上面に低圧を誘発します。この圧力差異は揚力を高める。これらの渦は翼頂点から始まり、下流に進行する。ある時点で、彼らは高い有害な圧力勾配のために、渦破壊と呼ばれる破裂します。

いったん渦の破壊が起こると、渦はもはや低圧を誘発することができません。攻撃の低い角度では、渦の破壊は後縁の下流で起こる。しかし、攻撃角度が大きくなるにつれて、渦内訳の位置は、翼面の大部分で故障が発生するまで上流に移動します。これは揚力を減らし、翼が停止する原因となる。

この実験では、染料を用いた水洞を用いて、デルタ翼モデル上でこれらの渦パターンを可視化し、異なる角度から渦破壊の位置を追跡する。

この実験を行うには、水のトンネルへのアクセスが必要です。まず、3つの500mLコンテナを取得し、染料で少なくとも半分を満たします。青色染料に1つの容器、緑色の染料用にもう1つ、赤色染料用の容器を使用します。

実験で使用したデルタウィングモデルは、すでに3つの染料容器にチューブが接続されています。また、翼の3つの異なる領域で異なる色の染料を分散させる3つの染料注入タップを持っています。距離の測定値は、1cmの目盛りを使用して翼上でマークされます。デルタウィングは、既にCストラットサポートに取り付けられている必要があります。ねじでトンネルに接続し、ヨーの角度を可能な限り0に近づけます。

デルタウィングが設置されたら、水トンネルを水で満たします。サイド ビューの参照を提供するために、目盛りの用紙をアタッチしていることを確認します。次に、カメラを配置して翼の上部図をキャプチャします。2 つ目のカメラを配置して、サイド ビューをキャプチャします。次に、各カメラの「記録」を押して、色素注入とその後の渦の映像をキャプチャします。

C支柱の角度を調整して、攻撃角度を手動で 0 に設定します。次に、水トンネルの流速を4in/sに設定します。流れが安定したら、手動ポンプを使用して染料貯蔵所に圧力を供給します。

染料の縞を観察し、その後、連続的な筋を生成するために、3つのノブを使用して染料の流量を調整します。3色すべてを一度に適用すると、翼の異なる領域で渦相互作用を見ることができます。渦相互作用を観察し、渦ロールアップと一次渦コアを識別します。

渦の少なくとも 10 秒を記録した後、攻撃の角度を 5 度に変更します。流れと縞線が安定するのを待ち、渦を少なくとも10s記録します。

攻撃角度を5°単位で55°まで上げて測定を繰り返します。毎回、ストリークライン渦パターンの少なくとも 10 s を記録します。

水が濁りすぎて、筋線が鈍く見える場合は、染料の供給を閉じてトンネルをオフにします。水を排出し、続行する前に淡水に置き換えます。

すべての試行が終了したら、カメラの電源を切り、色素の供給を閉じます。その後、トンネルをオフにし、水を排出します。終わったら必ずトンネルの染料を洗い流してください。

実験から、異なる攻撃角度で渦の内訳を特定できます。翼頂点から渦内訳までの距離をLBとラベル付けして測定します。わかりやすくするために、この距離は後縁からの弦の長さのパーセンテージとして参照します。

次に、攻撃の角度ごとに、後縁から渦内訳までの距離を見てみましょう。ここに示すように、攻撃角度が大きくなるにつれて渦内訳位置が徐々に上流に移動します。攻撃角度が40°に等しい場合、渦内訳は後縁からの弦の位置の96%で起こります。言い換えれば、ほとんど翼の頂点まで。この姿勢では、デルタウィングは完全な失速を経験します。言い換えれば、それはリフトの完全な損失を経験します。

要約すると、デルタ翼の低アスペクト比と高いスイープ角度が渦リフトと遅延失速にどのように寄与するかを学びました。次に、水抜き管内のモデルデルタ翼の渦流れ現象を観察し、渦内訳を用いて失速角度を推定した。

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