Ламинарный профиль | это… Что такое Ламинарный профиль?

ТолкованиеПеревод

Ламинарный профиль
Ламинарный профиль

профиль крыла, характеризующийся удалённым от носка положением точки перехода ламинарного течения в турбулентное при естественном обтекании, то есть без использования дополнительной энергии для затягивания перехода, как, например, при отсосе пограничного слоя, охлаждении поверхности (см. Ламинаризация пограничного слоя). Исследования в полёте состояния пограничного слоя на прямом крыле дозвукового самолёта (1938) показали наличие значительных участков ламинарного пограничного слоя. В СССР (И. В. Остославский, Г. П. Свищёв, К. К. Федяевский) и за рубежом были разработаны и применены на ряде самолётов Л. п., форма которых позволяла получать сдвинутое назад положение точки перехода ламинарного пограничного слоя в турбулентный и за счёт этого снижать сопротивление трения, а следовательно, и полное аэродинамическое сопротивление самолёта.

Для этого форма профиля должна обеспечивать на его поверхности в области ожидаемого ламинарного слоя ускоренное течение с возможно большим градиентом скорости для повышения устойчивости ламинарного течения к возмущениям. Геометрически это достигается смешением назад положения максимальной толщины и вогнутости профиля (см. Кривизна профиля), увеличением относительной толщины профиля и некоторым уменьшением радиуса кривизны носка. При этом с целью предотвращения срыва потока нельзя допускать резкого снижения скорости в хвостовой, диффузорной, части профиля, что приводит к ограничениям на геометрию профиля (недопустимо, например, смещение максимальной толщины и вогнутости за середину профиля, а также чрезмерное увеличение его толщины и вогнутости).
Фактором, ограничивающим возможности естественной ламинаризации пограничного слоя, является стреловидность крыла по передней кромке. При угле стреловидности больше 20—25(°) наблюдается значительное уменьшение области ламинарного течения.
Участки с естественной ламинаризацией могут наблюдаться на различных элементах самолёта (носок фюзеляжа, горизонтальные и вертикальные оперения и т. д.). Лётные исследования, проведённые при дозвуковых скоростях на самолётах с прямыми крыльями и крыльями с углом стреловидности менее 20(°), скомпонованными из Л. п., подтвердили наличие протяжённых ламинарных участков (до 30—50% хорды). При этом критические Рейнольдса числа, определенные по длине ламинарного участка, достигали Re* (≈) 10—12)*106. Проведённые в середине 80-х гг. в СССР (ЦАГИ) и за рубежом расчётные и экспериментальные исследования при больших числах Рейнольдса показали возможность получения протяжённых (вплоть до середины хорды) ламинарных участков при околозвуковом обтекании профилей с ускорением потока в местной сверхзвуков зоне. При этом Маха число полёта должно быть ограниченным, не допускающим возникновения интенсивных скачков уплотнения и заметного волнового сопротивления. Применение сверхкритических профилей с ускорением потока в местной сверхзвуковой зоне позволяет снизить сопротивление при повышенных дозвуковых скоростях полёта как за счёт естественной ламинаризации, так и за счёт малого, по сравнению с обычными профилями, волнового сопротивления.

Авиация: Энциклопедия. — М.: Большая Российская Энциклопедия. Главный редактор Г.П. Свищев. 1994.

.

Игры ⚽ Поможем написать курсовую

  • Ламинарный пограничный слой
  • Ланчестер Фредерик Уильям

Полезное


Французы испытали ламинарное крыло

Французская компания Onera совместно с итальянской Leonardo провела испытания гладкого крыла, оптимизированного для ламинарного потока. Как пишет Aviation Week, испытания состоялись в трансзвуковой аэродинамической трубе S1MA французской компании. В настоящее время специалисты анализируют данные, полученные во время испытаний, однако, согласно предварительным результатам, гладкое крыло показало несколько меньшее лобовое сопротивление по сравнению с обычным крылом самолета.

Объемы авиационных перевозок увеличиваются с каждым годом. Для того, чтобы удовлетворить спрос, снизив при этом стоимость авиаперевозок и не повлияв на доходы авиакомпаний, разработчики постоянно исследуют новые технологии улучшения самолетов. В частности, активные работы ведутся в области снижения потребления топлива самолетом в полете. Эту задачу можно решить несколькими способами. Например, снизить потребление топлива на несколько процентов можно улучшив конструкцию двигателей.

Еще одним способом уменьшить потребление топлива является снижение лобового сопротивления самолета. Этого можно добиться пересмотрев конструкцию самолетов, используя новые легкие материалы и покрытия. Согласно планам разработчиков, новое ламинарное крыло должно отличаться существенно меньшим лобовым сопротивлением по сравнению со стандартным крылом самолета. Такое крыло должно иметь гладкую поверхность и невысокий профиль, чтобы обеспечить ламинарный воздушный поток на как можно большей площади.

В аэродинамической трубе испытания проходили испытания левой консоли ламинарного крыла самолета длиной 5,2 метра. Продувочные испытания проводились на скорости воздушного потока 0,74 числа Маха (913,7 километра в час). Для изучения обтекающего крыло воздушного потока использовались высокоточные тепловизоры, замерявшие температуру на крыле в режиме реального времени. В результате выяснилось, что на верхней плоскости крыла площадь покрытия ламинарным потоком составила 70 процентов, а на нижней 30 процентов.

Для современного обычного самолетного крыла площадь покрытия ламинарным потоком в зависимости от конструкции составляет от 30 до 50 процентов для верхней плоскости и до 30 процентов — для нижней. На части крыла обязательно должно присутствовать турбулентное течение, повышающее его несущую способность. Для этого на современных самолетах на верхней плоскости крыла устанавливаются небольшие пластинки — завихрители потока, разрушающие ламинарный поток.

Тем не менее, считается, что в гражданской авиации, самолеты которых как правило не выполняют полетов на критических углах атаки, ламинарное удлиненное крыло может быть успешно использовано. При стабильном полете с без резких изменений углов атаки гладкое крыло может существенно снизить лобовое сопротивление, а значит потребление топлива в полете. Когда именно новое крыло может появиться на серийных самолетах, пока неизвестно.

Сегодня активными работами в области исследования гладкого крыла, оптимизированного для ламинарного обтекания, занимаются шведская компания Saab и британская GKN. Первая исследует композитное крыло, в котором передняя кромка и верхняя плоскость выполнены единой деталью, с пристыковкой остальных элементов и механизации с минимальными зазорами. В свою очередь GKN исследует обычное крыло, элементы которого плотнее обычного подогнаны друг к другу. Испытания обоих крыльев начнутся в текущем году.

Между тем, в феврале прошлого года GKN представила занялась исследованиями в области красок, которые позволят снизить лобовое сопротивление самолетов. Благодаря новым покрытиям разработчики рассчитывают снизить лобовое сопротивление на 25 процентов в крейсерском полете. Свои свойства новые краски должны будут сохранять на протяжении пяти лет, такой срок является стандартным требованием для внешних покрытий самолетов.

При нанесении на корпус самолета новые краски должны будут скрывать дефекты поверхности, обеспечивая тем самым ламинарное обтекание воздухом аэродинамических поверхностей, в первую очередь передних кромок, нередко имеющих неоднородную поверхность.

Василий Сычёв

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.

Ламинарный поток и Святой Грааль – Центр летных исследований Армстронга

Эл Бауэрс
Заместитель директора по исследованиям
Центр летных исследований Драйдена НАСА

Для аэрокосмических инженеров Святой Грааль низкого сопротивления означает преодоление ламинарного потока. НАСА (и NACA до нас) потратили МНОГО усилий и денег, чтобы заставить ламинарный поток работать в реальных приложениях, что означало бы резкое повышение эффективности использования топлива.

Изображение: черный тестовый участок верхней обшивки крыла исследовательского самолета NASA Gulfstream III имеет линию крошечных выпуклостей на передней кромке, что позволяет воздушному потоку в пограничном слое оставаться стабильным и гладким на большей части верхней поверхности крыла. Крошечные вертикальные аэродинамические поверхности, установленные снаружи черной тестовой секции, представляют собой вихревые генераторы, которые удерживают воздушный поток над поверхностью крыла на крейсерской скорости.

Ламинарный поток — это, по сути, способ прохождения воздушного потока над и под поверхностью крыла. Некоторая турбулентность воздуха возникает на поверхности большинства крыльев самолетов, независимо от их формы и размера. Когда воздух движется по крылу, он изменяется из-за трения между ним и поверхностью крыла, меняясь от ламинарного или плавного потока в передней части к более турбулентному потоку по направлению к задней кромке. Идеальным был бы ламинарный поток воздуха по всей поверхности крыла без признаков турбулентности, которая снижает летные характеристики за счет увеличения аэродинамического сопротивления и расхода топлива.

В течение нескольких десятилетий НАСА пыталось достичь этого идеала. Исследования NACA начались в 1930-х годах со следов дыма, сфотографированных в аэродинамической трубе Лэнгли, и продолжались в 1990-х годах с использованием таких испытательных стендов, как Lockheed JetStar и F-16XL. Сегодня в НАСА в Драйдене начинается новая программа, в рамках которой будет использоваться самолет центра Gulfstream III, а также будут опираться на работу самых знающих в мире исследователей в этой области Билла Сарика и Хелен Рид из Техасского университета A&M.

Идея Сарика и Рида настолько хороша, что просто гениальна. Известно, что если воздушный поток возбуждается на ВЫШЕ частоте, чем нестабильная частота, волны устойчивы. Позвольте мне повторить это еще раз: если волны возбуждаются до более высокой частоты, воздушный поток стабилен; то есть он остается ламинарным и не сразу разрушается и переходит в турбулентное течение.

Простая, но гениальная идея Сарика и Рида заключалась в том, чтобы поставить выступы на ламинарную часть испытательного крыла. Тщательно адаптируя размер выступов к глубине пограничного слоя (та часть воздуха, которая проходит рядом с обшивкой крыла), в пограничном слое может быть установлена ​​устойчивая волна, что позволяет потоку оставаться ламинарным в течение длинные пробеги (от 30 до 50 процентов верхней поверхности) над крылом. Исследовательская лаборатория ВВС предоставила Сарику и Риду грант на эксперимент, в ходе которого скорость полета достигла 0,3 Маха, коэффициент подъемной силы был равен 0, а число Рейнольдса составило около 7 миллионов, а ламинарный поток вернулся примерно к 70 процентам при 30-градусном полете. стреловидное крыло.

Фэй Коллиер, эксперт НАСА по ламинарному потоку, настолько заинтересовался их идеей, что захотел развить ее дальше. Он сыграл важную роль в получении финансирования проекта Gulfstream, чтобы выяснить, можно ли поддерживать ламинарный поток в условиях полного крейсерского полета современного авиалайнера. Цель будет состоять в том, чтобы добиться значительных пробегов ламинарного потока на скорости 0,75 Маха, коэффициенте подъемной силы 0,3, числах Рейнольдса 25-30 миллионов с ламинарным потоком до 60 процентов на крыле со стреловидностью 30 градусов. Эти цифры соответствуют цифрам авиалайнеров среднего размера — где-то между 737 и 757. Команда Драйдена будет сосредоточена на достижении этой цели для НАСА.

Для выполнения этой работы НАСА нуждался в самолете, который имел бы характеристики, аналогичные самолетам этого размера, и мог бы управляться с минимальными затратами. Gulfstream III соответствует многим критериям. Крыло у G-III большое, и в необходимых режимах полета самолет легко идет в крейсерском режиме. Самое главное, если НАСА добьется предложенного ламинарного потока, обещание 20-30-процентного сокращения расхода топлива может сэкономить много топлива и энергии.

Хорошо. Те из вас, кто действительно интересуется техническими аспектами всего этого и хочет погрузиться в настоящие гайки и болты, продолжайте читать.

Так что же мешало исследованиям все эти годы? Заставить ламинарный поток работать в реальном мире непросто. Незначительные дефекты изготовления — рябь, морщины, головки заклепок, жучки, небольшие дефекты формы, волны на крыле — все это препятствует ламинарному потоку. Хуже того, многие из этих дефектов могут быть незаметны при случайном осмотре наблюдателями и препятствуют ламинарному потоку. И даже если бы все эти проблемы удалось решить, все равно можно было бы потерпеть неудачу в достижении значительных пробегов ламинарного потока. Получается, что для крейсерской скорости от 0,7 до 0,8 Маха стреловидность крыла является врагом ламинарного обтекания. И крейсерская скорость от 0,7 до 0,8 Маха — это то место, где мы хотим летать на современных авиалайнерах.

В прямом крыле воздушный поток «тянется» от передней кромки крыла почти к точке максимальной толщины крыла, что способствует ламинарному потоку. При максимальной толщине воздушный поток находится при наименьшем давлении (низкое давление на верхней поверхности ниже, чем на нижней поверхности, и эта разница давлений является подъемной силой; открытие этого явления приписывается голландско-швейцарскому математику восемнадцатого века). Даниил Бернулли). От точки максимальной толщины обратно к задней кромке давление воздуха увеличивается. Это можно представить себе как движение воздуха вверх против давления. По мере того, как воздух делает это, тонкие вариации гладкости воздуха усиливаются. Эти малые возмущения вызывают волны в пограничном слое, и течение резко обрывается и становится турбулентным. Этот турбулентный поток «трется» о поверхность крыла и вызывает резкое увеличение сопротивления трения обшивки крыла. Турбулентный поток не так уж и плох, так как дополнительная энергия в пограничном слое помогает предотвратить отрыв потока от поверхности крыла (что вызовет еще большее сопротивление, чем повышенное поверхностное трение турбулентного потока). Чтобы максимизировать количество ламинарного потока на прямом крыле, дизайнеры используют очень тщательно подобранные формы, чтобы сместить максимальную толщину очень далеко назад на крыле. Ламинарный поток 70 процентов на верхней поверхности и почти 100 процентов на нижней поверхности возможен, если соблюдать осторожность. Результирующее сопротивление очень низкое по сравнению с обычными турбулентными аэродинамическими профилями, создающими такую ​​же подъемную силу, на целых 70 процентов меньше. Так что все это на прямом крыле.

Стреловидное крыло, необходимое для полета при высоких числах Маха (например, от 0,7 до 0,8), имеет другую проблему. В этом случае стреловидная передняя кромка вызывает немедленный переход от ламинарного течения к турбулентному. Виновник называется перекрестным переходом. Когда поток встречается с передней кромкой, воздуху легче двигаться вдоль передней кромки со стреловидностью, чем над крылом, как это было бы на нестреловидном (или прямом) крыле. Таким образом, поток начинает двигаться к законцовке крыла, затем изгибается над верхней или нижней поверхностью и, наконец, движется назад к задней кромке. Но как только поток начинает двигаться к наконечнику в поперечном потоке, пограничный слой переходит из ламинарного в турбулентный, и после перехода почти невозможно снова сделать воздушный поток ламинарным или гладким.

Помните эти неустойчивые «волны» в воздушном потоке на прямом крыле? Неустойчивые волны в поперечном потоке можно рассчитать, и они зависят от условий полета. Одна странность заключается в том, что эти волны присущи воздуху и не связаны конкретно с размером самолета; волны не увеличиваются и не уменьшаются в зависимости от размера самолета — длина волны является неотъемлемым свойством воздуха. Таким образом, Т-38 и Боинг-747 (если бы они имели одинаковую стреловидность и форму крыла) имели бы одинаковую длину волны и одинаковую форму.

Идея Сарика и Рида решила вопрос о том, что делать с этими неустойчивыми волнами поперечного течения. Благодаря последним исследованиям компании Gulfstream Драйден надеется развить их достижения, а также исследования ламинарного течения NASA/NACA, продолжавшиеся почти 80 лет. Надеемся, что мы все ближе и ближе приближаемся к святому Граалю идеальных условий и значительного повышения эффективности использования топлива, что окупится в виде снижения стоимости всех видов авиаперелетов.

Что такое крыло с ламинарным потоком?

Одним из наиболее важных аспектов конструкции в области полета человека является обеспечение того, чтобы сопротивление, испытываемое крылом, было достаточно ограниченным, чтобы оторваться от земли, и достаточно эффективным, чтобы не сжигать столько топлива, чтобы затраты не стоили полета.

Лучший способ обеспечить выполнение этих требований — спроектировать крылья самолета так, чтобы они полностью или преимущественно ламинарно обтекались. Уменьшение турбулентности на поверхности крыла делает полет более безопасным, дешевым, легким и, безусловно, более комфортным.

Что такое крыло с ламинарным потоком?

Сначала нужно определить, что такое ламинарное течение. Поток — это то, что происходит, когда жидкость, будь то газ или жидкость, непрерывно движется по объекту. В случае самолета этот поток возникает над обтекаемыми частями самолета, такими как крыло или фюзеляж. Отличие того, что именно означает ламинарный, заключается в том, что он противоположен турбулентному, говоря простыми словами.

Хотя это может показаться очевидным, это важное различие. Ламинарный означает плавный, непрерывный поток по поверхности крыла или аэродинамического профиля, а также предсказуемый. Турбулентный воздух, с другой стороны, означает не только более быстрый воздух. Это означает неровный, прерывистый поток, который прерывается в точке и в конечном итоге создает сопротивление из-за трения с воздухом. Минимизация этого сопротивления важна для безопасного и эффективного полета самолета.

История крыльев с ламинарным обтеканием

P-51 Mustang был одним из, если не первым самолетом, специально спроектированным с ламинарными крыльями Национальным консультативным комитетом по аэронавтике, предшественником НАСА. Исторический обзор все еще вызывает споры о том, было ли качество поверхности материала крыла достаточным для создания ламинарного потока в этих ранних моделях. Первоначально разработанная математически, модель в масштабе четверти была испытана в аэродинамической трубе Калифорнийским технологическим институтом.

Поначалу многие производители отказывались продолжать разработку крыльев с учетом ламинарного обтекания, так как получить полностью гладкий аэродинамический профиль с точным допуском оказалось слишком сложно для начала 1930-х годов.

В конце концов, однако, инженеры смогли решить проблему плавности хода, полностью покрасив крылья и изготовив, по крайней мере, частично крылья с ламинарным потоком. Эти крылья были доказательством теории ламинарного потока, впервые разработанной немецким ученым Людвигом Прандтлем за много лет до того, как были предприняты реальные попытки заставить эти крылья летать.

Ламинарный и турбулентный поток

Как обсуждалось выше, ламинарный поток противоположен турбулентному. Он плавный, непрерывный и предсказуемый там, где нет турбулентности. Если не предусмотреть, турбулентный поток может присутствовать в летающем объекте в гораздо большей степени, чем его аналог.

Турбулентность и лобовое сопротивление

Основной причиной проектирования против турбулентного воздушного потока является уменьшение лобового сопротивления на аэродинамическом профиле или крыле. Чрезмерная кинетическая энергия в турбулентных жидкостях приводит к кажущимся случайным изменениям давления и скорости потока, которые проявляются в виде водоворотов, завихрений и вихрей. Поскольку воздух также является жидкостью, трение является результатом трения воздуха о самолет.

Это происходит потому, что воздух, движущийся близко к крылу самолета, фактически прилипает к поверхности крыла и трется о воздух, проходящий вокруг крыла, вызывая трение (которое называется сопротивлением, когда речь идет о таких объектах, как самолеты). Это имеет комбинированный эффект, поскольку воздух, который трется, в свою очередь, замедляется и трет воздух над (или под) собой, каскадно образуя слой «липкого воздуха», известный как пограничный слой .

Пограничный слой возникает из-за того, что воздух сохраняет небольшую вязкость. Турбулентный пограничный слой означает, что существует разница в энергиях между бесконечно малыми слоями, в отличие от параллельных или равных энергий. В то время как, скажем, на метр длины сопротивление аэродинамического профиля довольно мало, учитывая длину двух крыльев фюзеляжа самолета, эти потери на трение действительно складываются как сила, противодействующая движению самолета.

Когда турбулентный воздух преобладает, либо из-за шероховатой поверхности крыла, либо из-за конструкции аэродинамического профиля, он сильнее взаимодействует с крылом. Это, в свою очередь, ускоряет образование восстановительного пограничного слоя, а также быстрее формирует его.

Чем больше пограничный слой, тем больше он действует как сила, противодействующая плоскому импульсу. В дополнение к этому сопротивлению увеличивающийся пограничный слой также может негативно повлиять на подъемную силу самолета за счет увеличения давления воздуха над крылом или аэродинамическим профилем.

Ламинарное обтекание аэродинамического профиля

Ламинарное обтекание обычно возникает в передней части крыла или аэродинамического профиля самолета. Если этот ламинарный поток прерывается, он становится турбулентным, что, как упоминалось выше, нежелательно для полета. К сожалению, турбулентность воздуха в верхней части аэродинамического профиля неизбежна, в конечном итоге она образуется, даже если входящий воздух остается ламинарным.

Это происходит как над, так и под крылом, хотя под ним легче поддерживать ламинарный поток. Ключом к проектированию крыла с ламинарным потоком является максимальное отодвигание этой точки перехода к турбулентности, поддержание чистого потока воздуха и предотвращение образования большого пограничного слоя как можно дольше.

Проектирование крыла с ламинарным потоком

При создании новых аэродинамических профилей учитывается множество конструктивных соображений, которые уменьшают сопротивление и увеличивают количество ламинарного воздуха. В течение бесчисленных часов испытаний и разработок инженеры на протяжении десятилетий приближались к несколько универсальной форме конструкции современных аэродинамических профилей и крыльев, которые мы видим сегодня. Вот некоторые из этих дизайнерских соображений.

Форма аэродинамического профиля

В то время как разработка крыла начиналась довольно симметрично, конструкция аэродинамического профиля сошлась на форме, которая стала немного более продолговатой. Слегка изогнутый сверху и относительно плоский снизу. В дополнение к кривизне тщательно учитывалась толщина.

Большинство аэродинамических профилей сегодня начинаются с относительно тонкой передней кромки, постепенно расширяясь до точки максимальной толщины (известной как «хорда»), прежде чем сужаться и заканчиваться в самой тонкой точке крыла. Опять же, большая часть этой формы исходит из смещения или изгиба верхнего края. Цель этой переменной толщины состоит в том, чтобы как можно дольше контролировать прилипание пограничного слоя к поверхности крыла до образования турбулентности при движении на высоких скоростях.

С крыльями симметричной формы эта точка турбулентности, которая образуется на остальной части крыла, возникает намного раньше.

Добавление «выпуклостей»

Одна из оригинальных идей исследователей из Техасского университета A&M, которая в конечном итоге дошла до НАСА, заключалась в добавлении небольших выпуклостей на часть поверхности крыла.