Вихри на законцовках крыльев

Турбулентность, вызванная разницей давления воздуха по обе стороны крыла.

О вихрях, вызванных подъемной силой позади реактивного самолета, свидетельствует дым на взлетно-посадочной полосе в эксперименте Немецкого аэрокосмического центра (DLR)

Аудиозапись вихрей, вызванных подъемной силой, услышанная вскоре после того, как авиалайнер пролетел над записывающим устройством.

Вихри на законцовках крыла представляют собой круговые узоры вращающегося воздуха, оставляемого за крылом при создании подъемной силы . ^{[1] : 5.14} Название неверное, поскольку ядра вихрей находятся немного внутри законцовок крыльев . ^{[2] : 369} Вихри на законцовках крыльев иногда называют вихрями , вызванными подъемной силой, поскольку они также возникают в других точках, а не на законцовках крыла. ^{[1] : 5.14} Действительно, завихренность наблюдается в любой точке крыла, где подъемная сила изменяется по размаху (факт, описанный и количественно оцененный теорией подъемной линии ); в конечном итоге он сворачивается в большие вихри возле законцовки крыла, у края закрылков или при других резких изменениях формы крыла в плане .

Вихри на законцовках крыла связаны с индуцированным сопротивлением , возникновением нисходящей волны и являются фундаментальным следствием создания трехмерной подъемной силы. ^{[1] : 5.17, 8.9} Тщательный выбор геометрии крыла (в частности, размаха крыла ), а также крейсерских условий являются проектными и эксплуатационными методами минимизации индуцированного сопротивления.

Вихри на законцовках крыла образуют основной компонент турбулентности следа . В зависимости от влажности окружающей среды, а также от геометрии и нагрузки на крыло самолета, вода может конденсироваться или замерзать в ядре вихрей, делая вихри видимыми.

Генерация вихрей

Вычисление Эйлера концевого вихря, скатывающегося из прицепного листа завихренности.

Когда крыло создает аэродинамическую подъемную силу , это приводит к образованию области нисходящего потока между двумя вихрями. ^{[3] [2] : 8.1.1  [4]}

К трехмерной подъемной силе и возникновению вихрей на законцовках крыла можно подойти с помощью концепции подковообразного вихря и точно описать с помощью теории Ланчестера – Прандтля . С этой точки зрения, хвостовой вихрь является продолжением вихря, связанного с крылом , присущего генерации подъемной силы.

Последствия и смягчение последствий

Современные авиалайнеры часто имеют тонкие крылья и законцовки крыльев.

Вихри на законцовках крыла связаны с индуцированным сопротивлением , неизбежным следствием создания трехмерной подъемной силы. Вращательное движение воздуха внутри вихрей на законцовках крыла (иногда называемое «утечкой») уменьшает эффективный угол атаки воздуха на крыло.

Теория подъемной линии описывает избавление от вихрей как изменение распределения подъемной силы по размаху. Для данного размаха крыла и поверхности минимальное индуцированное сопротивление достигается при эллиптическом распределении подъемной силы . Для данного распределения подъемной силы и площади формы крыла индуцированное сопротивление уменьшается с увеличением удлинения .

Как следствие, самолеты, для которых желательна высокая подъемная сила , например планеры или дальнемагистральные авиалайнеры , обычно имеют крылья с большим удлинением. Однако такие крылья имеют недостатки с точки зрения конструктивных ограничений и маневренности, о чем свидетельствуют боевые и пилотажные самолеты, которые обычно имеют короткие короткие крылья, несмотря на потери эффективности.

Еще одним методом снижения индуцированного сопротивления является использование крыльев , которые можно увидеть на большинстве современных авиалайнеров. Винглеты увеличивают эффективное удлинение крыла, изменяя рисунок и величину завихренности в вихревой схеме. Достигается уменьшение кинетической энергии в круговом потоке воздуха, что уменьшает количество топлива, затрачиваемого на совершение работы над ^{вращающимся воздухом .}

После того, как НАСА стало обеспокоено растущей плотностью воздушного движения, которая может привести к авариям, связанным с вихрями в аэропортах, эксперимент, проведенный Исследовательским центром Эймса НАСА по испытаниям в аэродинамической трубе модели 747, показал, что конфигурация закрылков на существующих самолетах может быть изменена, чтобы разрушить вихрь. на три меньших и менее тревожных вихря. В первую очередь это включало изменение настроек подвесных закрылков и теоретически могло быть модернизировано на существующие самолеты. ^[5]

Видимость вихрей

Вихри исходят от законцовок и передних частей F/A-18.

Иногда ядра вихрей можно увидеть, когда находящаяся в них вода конденсируется из газа ( пара ) в жидкость . Эта вода иногда может даже замерзнуть, образуя частицы льда.

Конденсация водяного пара в вихрях на законцовках крыла чаще всего встречается на самолетах, летающих под большими углами атаки , например, на истребителях при маневрах с большой перегрузкой или на авиалайнерах , взлетающих и приземляющихся во влажные дни.

Аэродинамическая конденсация и замерзание

Ядра вихрей вращаются с очень высокой скоростью и представляют собой области очень низкого давления. В первом приближении эти области низкого давления образуются при незначительном теплообмене с соседними областями (т. е. адиабатически ), поэтому локальная температура в областях низкого давления также падает. ^[6] Если она падает ниже местной точки росы , происходит конденсация водяного пара, присутствующего в ядрах вихрей на законцовках крыльев, что делает их видимыми. ^[6] Температура может даже упасть ниже местной точки замерзания , и в этом случае внутри ядер сформируются кристаллы льда. ^[6]

Фаза воды (т. е. принимает ли она форму твердого тела, жидкости или газа) определяется ее температурой и давлением . Например, в случае перехода жидкость-газ при каждом давлении существует особая «температура перехода», так что если температура образца хотя бы немного выше , образец будет газом, но если температура образца даже чуть ниже образец будет жидкостью; см. фазовый переход . Например, при стандартном атмосферном давлении 100 °C = 212 °F . Температура перехода снижается с уменьшением давления (что объясняет, почему вода кипит при более низких температурах на больших высотах и ​​при более высоких температурах в скороварке ; дополнительную информацию см. здесь ). В случае наличия водяного пара в воздухе соответствующее парциальному давлению водяного пара называется точкой росы . (Переход твердое тело-жидкость также происходит при определенной температуре перехода, называемой температурой плавления . Для большинства веществ температура плавления также снижается с уменьшением давления, хотя в частности водяной лед - в его I h форме , которая является наиболее знакомой - является заметным исключением из этого правила .) ${\displaystyle T_{c}}$ ${\displaystyle T_{c}}$ ${\displaystyle T_{c}}$ ${\displaystyle T_{c}}$ ${\displaystyle T_{c}}$ ${\displaystyle T_{c}}$

Ядра вихрей — это области низкого давления. Когда ядро ​​вихря начинает формироваться, вода в воздухе (в области, которая вот-вот станет ядром) находится в паровой фазе, а это означает, что местная температура выше местной точки росы. После формирования ядра вихря давление внутри него снизилось по сравнению с окружающим значением, и поэтому локальная точка росы ( ) упала по сравнению с окружающим значением. Таким образом , падение давления само по себе будет способствовать сохранению воды в форме пара: начальная точка росы уже была ниже температуры окружающего воздуха, а образование вихря сделало местную точку росы еще ниже. Однако по мере формирования ядра вихря его давление (и, следовательно, точка росы) — не единственное свойство, которое падает: температура ядра вихря также падает, и на самом деле она может упасть гораздо больше, чем точка росы. ${\displaystyle T_{c}}$

В первом приближении образование вихревых ядер термодинамически является адиабатическим процессом , т. е. процессом без теплообмена. В таком процессе падение давления сопровождается падением температуры согласно уравнению

${\displaystyle {\frac {T_{\text{f}}}{T_{\text{i}}}}=\left({\frac {p_{\text{f}}}{p_{\text{i}}}}\right)^{\frac {\gamma -1}{\gamma }}.}$^[6]

Здесь и – абсолютные температура и давление в начале процесса (здесь равны температуре и давлению окружающего воздуха), – абсолютные температура и давление в ядре вихря (что является конечным результатом процесса), константа составляет около 7/5 = 1,4 для воздуха (см. здесь ). ${\displaystyle T_{\text{i}}}$ ${\displaystyle p_{\text{i}}}$ ${\displaystyle T_{\text{f}}}$ ${\displaystyle p_{\text{f}}}$ ${\displaystyle \gamma }$

Таким образом, хотя локальная точка росы внутри ядер вихрей даже ниже, чем в окружающем воздухе, водяной пар все же может конденсироваться — если образование вихря приводит к тому, что локальная температура становится ниже новой локальной точки росы. ^[6]

Для типичного транспортного самолета, приземляющегося в аэропорту, эти условия следующие: и имеют значения, соответствующие так называемым стандартным условиям , т. е.  = 1  атм  = 1013,25  мб  = 101 325  Па и  = 293,15  К (что составляет 20 °С). = 68 °F). Относительная влажность составляет комфортные 35 % (точка росы 4,1 °C = 39,4 °F). Это соответствует парциальному давлению водяного пара 820 Па = 8,2 мб. В ядре вихря давление ( ) падает примерно до 80% от окружающего давления, т.е. примерно до 80 000 Па. ^[6] ${\displaystyle T_{\text{i}}}$ ${\displaystyle p_{\text{i}}}$ ${\displaystyle p_{\text{i}}}$ ${\displaystyle \,}$ ${\displaystyle T_{\text{i}}}$ ${\displaystyle p_{\text{f}}}$

Температура в ядре вихря определяется приведенным выше уравнением как или 0,86 °C = 33,5 °F. ${\displaystyle T_{\text{f}}=\left({\frac {\scriptstyle 80\,000}{\scriptstyle 101\,325}}\right)^{\scriptscriptstyle 0.4/1.4}\,T_{\text{i}}=0.935\,\times \,293.15=274\;{\text{K}},}$

Далее парциальное давление воды в ядре вихря падает пропорционально падению полного давления (т. е. на тот же процент) примерно до 650 Па = 6,5 мб. Согласно калькулятору точки росы, это парциальное давление приводит к тому, что местная точка росы составляет около 0,86 ° C; другими словами, новая локальная точка росы примерно равна новой местной температуре.

Следовательно, это маргинальный случай; если бы относительная влажность окружающего воздуха была хоть немного выше (при сохранении общего давления и температуры указанными выше), то локальная точка росы внутри вихрей повысилась бы, а местная температура осталась бы прежней. Таким образом, локальная температура теперь будет ниже локальной точки росы, и поэтому водяной пар внутри вихрей действительно будет конденсироваться. При правильных условиях локальная температура в ядрах вихрей может упасть ниже локальной точки замерзания , и в этом случае частицы льда будут образовываться внутри ядер вихрей.

Таким образом, механизм конденсации водяного пара в вихрях на законцовках крыла обусловлен локальными изменениями давления и температуры воздуха. Это следует противопоставить тому, что происходит в другом хорошо известном случае конденсации воды, связанном с самолетами: следы от выхлопных газов самолетов. В случае инверсионных следов местное давление и температура воздуха существенно не изменяются; вместо этого важно то, что выхлопные газы содержат как водяной пар (который увеличивает локальную концентрацию водяного пара и, следовательно, его парциальное давление, что приводит к повышению точки росы и точки замерзания), так и аэрозоли (которые создают центры зародышеобразования для конденсации и замерзания). . ^[7]

Формирование полета

Канадские гуси в V-образном строю

Одна из теорий полета мигрирующих птиц гласит, что многие более крупные виды птиц летают V-образным строем , так что все, кроме птицы-лидера, могут воспользоваться восходящей частью вихря на кончиках крыльев птицы впереди. ^{[8] [9]}

Опасности

Исследование НАСА вихрей на законцовках крыльев, иллюстрирующее размер образующихся вихрей.

Вихри на законцовках крыльев могут представлять опасность для самолета, особенно на этапах посадки и взлета . Интенсивность или сила вихря зависит от размера, скорости и конфигурации самолета (положение закрылков и т. д.). Самые сильные вихри создают тяжелые самолеты, летящие медленно, с убранными закрылками и шасси («тяжелые, медленные и чистые»). ^[10] Большие реактивные самолеты могут создавать вихри, которые могут сохраняться в течение многих минут и дрейфовать по ветру.

Опасные аспекты вихрей на законцовках крыла чаще всего обсуждаются в контексте турбулентности следа . Если легкий самолет следует сразу за тяжелым самолетом, турбулентность в следе от тяжелого самолета может перевернуть легкий самолет быстрее, чем можно противостоять с помощью элеронов. На малых высотах, особенно при взлете и посадке, это может привести к сбою, выход из которого невозможен. («Легкий» и «тяжелый» - понятия относительные, и из-за этого эффекта катились даже самолеты меньшего размера.) Авиадиспетчеры пытаются обеспечить адекватное разделение между вылетающими и прибывающими самолетами, выдавая пилотам предупреждения о турбулентности в следе.

В общем, чтобы избежать вихрей, самолет безопаснее, если его взлет произойдет раньше точки вращения самолета, взлетевшего до него. Однако необходимо соблюдать осторожность, чтобы оставаться с наветренной стороны (или иным образом в стороне) от любых вихрей, созданных предыдущим самолетом. При приземлении за самолетом самолет должен оставаться выше траектории полета предыдущего и приземлиться дальше по взлетно-посадочной полосе. ^[11]

Пилоты- планеристы обычно тренируются летать в вихрях на законцовках крыла, выполняя маневр, называемый «боксированием следа». Это предполагает спуск с верхнего положения на нижнее за буксирным самолетом. После этого создается прямоугольная фигура, удерживая планер в верхней и нижней точках вдали от плоскости буксировки, прежде чем вернуться обратно через вихри. (В целях безопасности это не делается на высоте ниже 1500 футов над землей и обычно в присутствии инструктора.) Учитывая относительно низкие скорости и легкость обоих самолетов, процедура безопасна, но дает ощущение того, насколько сильна и где находится турбулентность. . ^[12]

Галерея

• 
  EA -6 Prowler с конденсацией в сердцевинах вихрей на законцовках крыла, а также на верхней части крыльев.
• 
  На концах лопастей винта могут образовываться вихри, как это видно на DHC-5 Buffalo .
• 
  Ядро вихря, выходящего из кончика закрылка коммерческого самолета с выпущенным посадочным закрылком.
• 
  Вихри на законцовках крыла модели Cessna 182 в аэродинамической трубе .
• 
  Вихри на законцовках крыла, показанные в дыме от ракет , оставленных позади C-17 Globemaster III . Также известны как дымовые ангелы.
• 
  Конвертоплан MV - 22 Osprey имеет высокую нагрузку на диск , создавая видимые вихри на концах лопастей.
• 
  Эйлеров расчет стационарного концевого вихря. Цвета контуров и изоповерхности показывают завихренность.
• 
  Модель Боинга 747 только что прошла сквозь неподвижную пелену дыма, на которой видны вихри, на установке Vortex в Исследовательском центре Лэнгли .

Смотрите также

• Соотношение сторон (крыло)
• След
• Теоремы Гельмгольца
• Подковообразный вихрь
• Сопротивление, вызванное подъемной силой
• Формирование V
• Вихрь
• След турбулентности
• Нестабильность вороны

Рекомендации

1. Клэнси, LJ (1975). Аэродинамика. Питман. ISBN 978-0-273-43342-2. Проверено 10 февраля 2023 г.
2. Маклин, Дуг (7 декабря 2012 г.). Понимание аэродинамики: аргументы из реальной физики. Джон Уайли и сыновья. ISBN 978-1-118-45422-0. Проверено 10 февраля 2023 г.
3. Маклин, Дуг (2005). Устройства Wingtip: что они делают и как они это делают (PDF) . 2005 Конференция Boeing по вопросам производительности и летной эксплуатации. п. 4.5. Ядра вихрей часто называют «вихрями на кончиках крыльев», хотя это немного неправильное название. Хотя это правда, что ядра расположены довольно близко за законцовками крыльев, термин «вихри на законцовках крыльев» подразумевает, что законцовки крыльев являются единственными источниками вихрей. На самом деле, как мы видели на рисунке 3.2, завихренность, которая поступает в ядра, обычно исходит от всего размаха задней кромки, а не только от законцовок крыла.
4. Дуг Маклин, Распространенные заблуждения в аэродинамике на YouTube
5. Корсилья, Виктор Р.; Россоу, Вернон Дж.; Сиффоне, Дональд Л. (1975). Экспериментальное исследование влияния нагрузки на пролет на след от самолета (PDF) (Отчет). Исследовательский центр Эймса НАСА.
6. Грин, С.И. «Вихри на законцовках крыльев» в книге « Вихри жидкости», С.И. Грин, изд. ( Клювер , Амстердам, 1995), стр. 427–470. ISBN 978-0-7923-3376-0 
7. НАСА, Contrail Science. Архивировано 5 июня 2009 г., в Wayback Machine.
8. Визельсбергер, К. (1914). «Beitrag zur Erklärung des Winkelfluges einiger Zugvögel». Zeitschrift für Flugtechnik und Motorluftschiffahrt (на немецком языке). Мюнхен/Берлин: Wissenschaftliche Gesellschaft für Luftfahrt. 5 : 225–229.
9. Лиссаман, PBS; Шолленбергер, Калифорния (1970). «Формирование полета птиц». Наука . 168 (3934): 1003–1005. Бибкод : 1970Sci...168.1003L. дои : 10.1126/science.168.3934.1003. JSTOR  1729351. PMID  5441020. S2CID  21251564.
10. Батлер, К.М. (1993), Оценка адвекции и распада следа вихревого следа с использованием метеорологических датчиков и данных самолета (PDF) , Лаборатория Линкольна, Массачусетский технологический институт, стр. 11
11. Как избежать турбулентности следа во время взлета и посадки
12. Бокс по следам

Внешние ссылки

• Видео испытаний Центра летных исследований Драйдена НАСА по вихрям на законцовках крыла:
  • С-5 Галактика : [1]
  • Локхид L-1011 : [2]
• Вихри на законцовках крыльев при приземлении - видео на Youtube