Вихри на концах крыльев

Турбулентность, вызванная разницей в давлении воздуха по обе стороны крыла

Вихри, вызванные подъемной силой позади реактивного самолета, видны на примере дыма на взлетно-посадочной полосе в ходе эксперимента, проведенного Немецким аэрокосмическим центром (DLR).

Аудиозапись вихрей, вызванных подъемной силой, слышимых вскоре после того, как над ней пролетел самолет

Вихри на законцовках крыла представляют собой круговые узоры вращающегося воздуха, оставляемого позади крыла при создании подъемной силы . ^{[1] : 5.14} Название неверное, поскольку ядра вихрей находятся немного внутри законцовок крыла . ^{[2] : 369} Вихри на законцовках крыла иногда называют хвостовыми или вызванными подъемной силой вихрями , поскольку они также возникают в точках, отличных от законцовок крыла. ^{[1] : 5.14} Действительно, вихрь тянется 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 вблизи законцовок крыла, на краю закрылков или при других резких изменениях формы крыла в плане .

Вихри на концах крыла связаны с индуцированным сопротивлением , созданием скоса потока вниз и являются фундаментальным следствием создания трехмерной подъемной силы. ^{[1] : 5.17, 8.9} Тщательный выбор геометрии крыла (в частности, размаха крыла ), а также условий крейсерского полета являются конструктивными и эксплуатационными методами минимизации индуцированного сопротивления.

Вихри на концах крыльев образуют основной компонент турбулентности в следе . В зависимости от влажности окружающей атмосферы, а также геометрии и нагрузки на крыло самолета вода может конденсироваться или замерзать в ядре вихрей, делая вихри видимыми.

Генерация хвостовых вихрей

Расчет Эйлера концевого вихря, сворачивающегося из отставшей вихревой пленки.

Когда крыло создает аэродинамическую подъемную силу , между двумя вихрями образуется область скоса потока. ^{[3] [2] : 8.1.1  [4]}

Трехмерная подъемная сила и возникновение вихрей на концах крыльев могут быть рассмотрены с помощью концепции подковообразного вихря и точно описаны с помощью теории Ланчестера-Прандтля . С этой точки зрения, хвостовой вихрь является продолжением вихря, связанного с крылом, присущего генерации подъемной силы.

Эффекты и смягчение

Современные авиалайнеры часто имеют тонкие крылья и законцовки крыльев.

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

Теория подъемной линии описывает сбрасывание хвостовых вихрей как изменения в распределении подъемной силы по размаху крыла. Для заданного размаха крыла и поверхности минимальное индуцированное сопротивление достигается при эллиптическом распределении подъемной силы . Для заданного распределения подъемной силы и площади плоскости крыла индуцированное сопротивление уменьшается с увеличением удлинения .

В результате самолеты, для которых желательно высокое аэродинамическое качество , такие как планеры или дальнемагистральные авиалайнеры , обычно имеют крылья с большим удлинением. Однако такие крылья имеют недостатки в отношении структурных ограничений и маневренности, о чем свидетельствуют боевые и пилотажные самолеты, которые обычно имеют короткие, короткие крылья, несмотря на потери эффективности.

Другим методом снижения индуктивного сопротивления является использование винглетов , которые можно увидеть на большинстве современных авиалайнеров. Винглеты увеличивают эффективное удлинение крыла, изменяя рисунок и величину завихренности в вихревом рисунке. Достигается снижение кинетической энергии в круговом потоке воздуха, что уменьшает количество топлива, затрачиваемого на выполнение работы над вращающимся воздухом ^{[ требуется ссылка ]} .

После того, как NASA обеспокоилось растущей плотностью воздушного движения, потенциально вызывающей аварии, связанные с вихрями в аэропортах, эксперимент, проведенный исследовательским центром NASA Ames Research Center с использованием аэродинамической трубы с моделью 747, показал, что конфигурацию закрылков можно изменить на существующих самолетах, чтобы разбить вихрь на три меньших и менее беспокоящих вихря. Это в первую очередь включало изменение настроек внешних закрылков и теоретически могло быть установлено на существующих самолетах. ^[5]

Видимость вихрей

Вихри, образующиеся на концах и выступах передней кромки крыла F/A-18

Ядра вихрей иногда можно увидеть, когда вода, присутствующая в них, конденсируется из газа ( пара ) в жидкость . Эта вода иногда может даже замерзать, образуя частицы льда.

Конденсация водяного пара в вихрях на концах крыльев чаще всего встречается на самолетах, летящих под большими углами атаки , например, на истребителях, совершающих маневры с большими перегрузками , или на авиалайнерах, взлетающих и приземляющихся во влажные дни.

Аэродинамическая конденсация и замерзание

Ядра вихрей вращаются с очень высокой скоростью и являются областями очень низкого давления. В первом приближении , эти области низкого давления формируются при небольшом обмене теплом с соседними областями (т. е. адиабатически ), поэтому локальная температура в областях низкого давления также падает. ^[6] Если она падает ниже локальной точки росы , происходит конденсация водяного пара, присутствующего в ядрах вихрей на концах крыльев, что делает их видимыми. ^[6] Температура может даже упасть ниже локальной точки замерзания , и в этом случае внутри ядер будут образовываться 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 даже немного выше , образец будет газом, но если температура образца даже немного ниже , образец будет жидкостью; см. фазовый переход . Например, при стандартном атмосферном давлении , составляет 100 °C = 212 °F. Температура перехода уменьшается с уменьшением давления (что объясняет, почему вода кипит при более низких температурах на больших высотах и ​​при более высоких температурах в скороварке ; см. здесь для получения дополнительной информации). В случае водяного пара в воздухе, соответствующее парциальному давлению водяного пара называется точкой росы . (Переход из твердого состояния в жидкое также происходит вблизи определенной температуры перехода, называемой точкой плавления . Для большинства веществ точка плавления также уменьшается с уменьшением давления, хотя водяной лед, в частности, в форме Ih , которая является наиболее известной , 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 вихря — это области низкого давления. Когда ядро ​​вихря начинает формироваться, вода в воздухе (в области, которая вот-вот станет ядром) находится в паровой фазе, что означает, что локальная температура выше локальной точки росы. После того, как ядро ​​вихря сформировалось, давление внутри него снизилось по сравнению с окружающим значением, и поэтому локальная точка росы ( ) упала по сравнению с окружающим значением. Таким образом, само по себе падение давления будет иметь тенденцию удерживать воду в форме пара: Начальная точка росы уже была ниже температуры окружающего воздуха, а формирование вихря сделало локальную точку росы еще ниже. Однако по мере формирования ядра вихря его давление (и, следовательно, его точка росы) — не единственное свойство, которое падает: температура ядра вихря также падает, и на самом деле она может упасть гораздо сильнее, чем точка росы. ${\displaystyle T_{c}}$

В первом приближении образование вихревых ядер является термодинамически адиабатическим процессом , т.е. процессом без обмена теплом. 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 они равны температуре и давлению окружающего воздуха), а — абсолютные температура и давление в ядре вихря (что является конечным результатом процесса), а константа для воздуха составляет около 7/5 = 1,4 (см. здесь ). ${\displaystyle T_{\text{i}}}$ ${\displaystyle p_{\text{i}}}$ ${\displaystyle T_{\text{f}}}$ ${\displaystyle p_{\text{f}}}$ ${\displaystyle \gamma }$

Таким образом, даже если локальная точка росы внутри вихревых ядер даже ниже, чем в окружающем воздухе, водяной пар все равно может конденсироваться — если образование вихря понизит локальную температуру 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 °C = 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 давления окружающей среды, 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 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 общего давления (т.е. на тот же процент), примерно до 650 Па = 6,5 мб. Согласно калькулятору точки росы, это парциальное давление приводит к локальной точке росы около 0,86 °C; другими словами, новая локальная точка росы примерно равна новой локальной температуре.

Следовательно, это пограничный случай; если бы относительная влажность окружающего воздуха была бы даже немного выше (при общем давлении и температуре, как указано выше), то локальная точка росы внутри вихрей повысилась бы, в то время как локальная температура осталась бы прежней. Таким образом, локальная температура теперь была бы ниже локальной точки росы, и поэтому водяной пар внутри вихрей действительно конденсировался бы. При правильных условиях локальная температура в ядрах вихрей может упасть ниже локальной точки замерзания , и в этом случае внутри ядер вихрей будут образовываться частицы льда.

Механизм конденсации водяного пара в вихрях законцовок крыльев, таким образом, обусловлен локальными изменениями давления и температуры воздуха. Это следует противопоставить тому, что происходит в другом хорошо известном случае конденсации воды, связанном с самолетами: инверсионные следы от выхлопов двигателей самолетов. В случае инверсионных следов локальное давление и температура воздуха существенно не меняются; вместо этого важно то, что выхлоп содержит 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 обеспечивают центры зародышеобразования для конденсации и замерзания). ^[7]

Формирование полета

Канадские гуси в строю V

Одна из теорий о полете перелетных птиц гласит, что многие виды крупных птиц летят в форме буквы V, так что все, кроме вожака, могут воспользоваться восходящей частью вихря на конце крыла птицы, летящей впереди. ^{[8] [9]}

Опасности

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

Вихри на концах крыльев могут представлять опасность для самолетов, особенно во время взлета и посадки . Интенсивность или сила вихря зависит от размера самолета, скорости и конфигурации (положения закрылков и т. д.) Самые сильные вихри создаются тяжелыми самолетами, летящими медленно, с убранными закрылками и шасси («тяжелый, медленный и чистый»). ^[10] Большие реактивные самолеты могут создавать вихри, которые могут сохраняться в течение многих минут, дрейфуя по ветру.

Опасные аспекты вихрей на концах крыльев чаще всего обсуждаются в контексте турбулентности следа . Если легкий самолет сразу следует за тяжелым самолетом, турбулентность следа от тяжелого самолета может перевернуть легкий самолет быстрее, чем можно противостоять с помощью элеронов. На малых высотах, в частности во время взлета и посадки, это может привести к столкновению, из которого восстановление невозможно. («Легкий» и «тяжелый» — относительные термины, и даже более мелкие самолеты были перевернуты этим эффектом.) Авиадиспетчеры пытаются обеспечить адекватное разделение между вылетающими и прибывающими самолетами, выдавая пилотам предупреждения о турбулентности следа.

В общем, чтобы избежать вихрей, самолету безопаснее взлетать до точки вращения самолета, который взлетел до него. Однако необходимо соблюдать осторожность, чтобы оставаться против ветра (или иным образом вдали) от любых вихрей, которые были созданы предыдущим самолетом. Приземляясь позади самолета, самолет должен оставаться выше траектории полета предыдущего и приземляться дальше вдоль взлетно-посадочной полосы. ^[11]

Пилоты планеров регулярно практикуют полеты в вихрях на концах крыльев, когда они выполняют маневр, называемый «boxing the cway». Он включает в себя спуск с более высокого положения в более низкое позади буксирующего самолета. Затем следует создание прямоугольной фигуры, удерживая планер в высоких и низких точках вдали от буксирующего самолета, прежде чем снова подняться через вихри. (В целях безопасности это не делается ниже 1500 футов над землей, и обычно в присутствии инструктора.) Учитывая относительно низкую скорость и легкость обоих самолетов, процедура безопасна, но дает представление о том, насколько сильна и где находится турбулентность. ^[12]

Галерея

• 
  Самолет EA-6 Prowler с конденсацией в сердцевинах вихрей на концах крыльев, а также на верхней части крыльев.
• 
  На концах лопастей винта образуются вихри, как показано на этом самолете DHC-5 Buffalo .
• 
  Ядро вихря, тянущегося от кончика закрылка коммерческого самолета с выпущенным посадочным закрылком.
• 
  Вихри на законцовках крыла, полученные в аэродинамической трубе модели самолета Cessna 182 .
• 
  Вихри на концах крыльев, показанные в дыму от факела, оставленном C-17 Globemaster III . Также известны как дымовые ангелы.
• 
  Конвертоплан MV-22 Osprey имеет высокую нагрузку на диск , что приводит к образованию видимых вихрей на концах лопастей.
• 
  Расчет Эйлера устойчивого концевого вихря. Контурные цвета и изоповерхность выявляют вихреобразование.
• 
  Модель Boeing 747 только что прошла через неподвижную пелену дыма, за которой видны вихревые следы, в Центре вихрей в Исследовательском центре Лэнгли .

Смотрите также

• Индекс статей по авиации
• Удлинение (крыло)
• Теория заговора о химтрейлах
• Нестабильность вороны
• Теоремы Гельмгольца
• Подковообразный вихрь
• Сопротивление, вызванное подъемной силой
• V-образная формация
• Вихрь
• Турбулентность в следе

Ссылки

1. Clancy, LJ (1975). Аэродинамика. Pitman. ISBN 978-0-273-43342-2. Получено 10 февраля 2023 г. .
2. McLean, Doug (7 декабря 2012 г.). Understanding Aerodynamics: Arrogating from the Real Physics. John Wiley & Sons. ISBN 978-1-118-45422-0. Получено 10 февраля 2023 г. .
3. Маклин, Дуг (2005). Устройства законцовок крыла: что они делают и как они это делают (PDF) . Конференция Boeing по эксплуатационным характеристикам и летным операциям 2005 года. стр. 4.5. Вихревые ядра часто называют «вихрями законцовок крыла», хотя это немного неправильное название. Хотя верно, что ядра выстраиваются довольно близко за законцовками крыла, термин «вихри законцовок крыла» подразумевает, что законцовки крыла являются единственными источниками вихрей. На самом деле, как мы видели на рисунке 3.2, завихренность, которая поступает в ядра, обычно исходит со всего размаха задней кромки, а не только от законцовок крыла.
4. Дуг Маклин, Распространенные заблуждения в аэродинамике на YouTube
5. Корсилья, Виктор Р.; Россов, Вернон Дж.; Чиффоне, Дональд Л. (1975). Экспериментальное исследование влияния нагрузки на размах крыла на следы самолета (PDF) (Отчет). Исследовательский центр Эймса НАСА.
6. Грин, SI "Вихри на концах крыла" в Fluid vortices, SI Green, ред. ( Kluwer , Амстердам, 1995) стр. 427–470. ISBN 978-0-7923-3376-0 
7. NASA, Contrail Science. Архивировано 5 июня 2009 г. на Wayback Machine.
8. Визельсбергер, К. (1914). «Beitrag zur Erklärung des Winkelfluges einiger Zugvögel». Zeitschrift für Flugtechnik und Motorluftschiffahrt (на немецком языке). 5 . Мюнхен/Берлин: Wissenschaftliche Gesellschaft für Luftfahrt: 225–229.
9. Lissaman, PBS; Shollenberger, CA (1970). «Формационный полет птиц». Science . 168 (3934): 1003–1005. Bibcode :1970Sci...168.1003L. doi :10.1126/science.168.3934.1003. JSTOR  1729351. PMID  5441020. S2CID  21251564.
10. Батлер, К. М. (1993), Оценка адвекции и затухания вихревого следа с использованием метеорологических датчиков и данных с самолетов (PDF) , Lincoln Laboratory, MIT, стр. 11
11. Как избежать турбулентности в следе во время взлета и посадки
12. Бокс на волне

Внешние ссылки

• Видео с испытаний вихрей на законцовках крыльев в Исследовательском центре Драйдена НАСА :
  • C-5 Галактика : [1]
  • Локхид L-1011 : [2]
• Вихри на концах крыла во время посадки - Видео на Youtube