Дослідження обтікання профілю крила

Дослідити обтікання профілю крила без урахування його розмаху, тобто крила нескінченного розмаху. З'ясувати, як змінюється картина обтікання профілю при зміні кута атаки. Дослідження провести для трьох режимів - дозвукового злітно-посадкового, дозвукового крейсерського і надзвукового польотів. Визначити підйомну силу і силу опору, що діють на крило. Побудувати поляра крила.

Профіль крила - перетин крила площиною, паралельній площині симетрії літака (перетин А-А). Іноді під профілем розуміють перетин, перпендикулярне передній або задній кромці крила (перетин Б-Б).

Хорда профіляb - відрізок, що з'єднує найбільш віддалені точки профілю.

Розмах крилаl - відстань між площинами, паралельними площині симетрії і стосуються кінців крила.

Центральна (коренева) хордаb0 - хорда в площині симетрії.

Кут стреловидности по передній кромкеχПК - кут між дотичною до лінії передньої кромки і площиною, перпендикулярної центральній хорді.

Як було зазначено в попередній роботі, повна аеродинамічна сила R розкладається на підйомну силу Y і силу опору X:

Підйомна сила і сила опору визначаються за схожими формулами:

де CY і СХ - коефіцієнти підйомної сили і сили опору відповідно;

ρ - щільність повітря;

V - швидкість тіла щодо повітря;

S - ефективна площа тіла.

У дослідженнях зазвичай мають справу не самими силами Y і Х. а з їх коефіцієнтами CY і CX.

Розглянемо обтікання повітряним потоком тонкої пластини:

Якщо встановити пластину вздовж потоку (кут атаки дорівнює нулю), то обтікання буде симетричним. У цьому випадку потік повітря пластиною не відхиляється і підйомна сила Y дорівнює нулю. Опір X мінімально, але не нуль. Воно буде створюватися силами тертя молекул повітря об поверхню пластини. Повна аеродинамічна сила R мінімальна і збігається з силою опору X.

Почнемо потроху відхиляти пластину. Через скошування потоку відразу ж з'являється підйомна сила Y. Опір X трохи збільшується через збільшення поперечного перерізу пластини по відношенню до потоку.

У міру поступового збільшення кута атаки і збільшення скоса потоку підйомна сила збільшується. Очевидно, що опір теж зростає. Тут необхідно зазначити, що на малих кутах атаки підйомна сила зростає значно швидше, ніж опір.

У міру збільшення кута атаки повітряному потоку стає все важче обтікати пластину. Підйомна сила хоча і продовжує збільшуватися, але повільніше, ніж раніше. А ось опір зростає все швидше і швидше, поступово обганяючи зростання підйомної сили. В результаті повна аеродинамічна сила R починає відхиляється назад.

І тут раптом картина різко міняється. Повітряні цівки виявляються не в змозі плавно обтікати верхню поверхню пластини. За пластиною утворюється потужний вихор. Підйомна сила різко падає, а опір збільшується. Це явище в аеродинаміці називають ЗРИВ ПОТОКУ. «Зірвати» крило перестає бути крилом. Воно перестає летіти і починає падати

Покажемо залежність коефіцієнтів підйомної сили Сy і сили опору СХ від кута атаки α на графіках.

Об'єднаємо отримані два графіка в один. По осі абсцис відкладемо значення коефіцієнта опору СХ. а по осі ординат - коефіцієнт підйомної сили Сy.

Отримана крива називається поляра КРИЛА - основний графік, що характеризує льотні властивості крила. Відкладаючи на осях координат значення коефіцієнтів підйомної сили CY і опору CX. цей графік показує величину і напрямок дії повної аеродинамічної сили R.

Якщо вважати, що повітряний потік рухається уздовж осі CX зліва направо, а центр тиску (точка прикладання повної аеродинамічної сили) знаходиться в центрі координат, то для кожного з розібраних раніше кутів атаки вектор повної аеродинамічної сили буде йти з початку координат в точку поляри, відповідну заданому куту атаки. На поляра можна легко відзначити три характерні точки і відповідні їм кути атаки: критичний, економічний і найвигідніший.

Критичний кут атаки - це кут атаки, при перевищенні якого відбувається зрив потоку. При цьому Сy максимально і ЛА може утримуватися в повітрі на мінімально можливій швидкості. Це корисно при заході на посадку. Дивись точку (3) на малюнках.

Економічний кут атаки - це кут атаки, на якому аеродинамічний опір крила мінімально. Якщо встановити крило на економічний кут атаки, то воно зможе рухатися з максимальною швидкістю.

Найвигідніший кут атаки - це кут атаки, на якому відношення коефіцієнтів підйомної сили і опору CY / CX максимально. У цьому випадку кут відхилення аеродинамічної сили від напрямку руху повітряного потоку максимальний. При установці крила на найвигідніший кут атаки воно полетить найдалі.

Аеродинамічний якість крила - це відношення коефіцієнтів CY / CX при установці крила на найвигідніший кут атаки.

Порядок виконання роботи

Підбір профілю крила:

Тут зібрано база з приблизно 1600 різноманітних профілів крила. Для кожного профілю є його малюнок (в форматі * .gif) і таблиця координат верхньої і нижньої частини профілю (в форматі * .dat). База знаходиться у вільному доступі, постійно оновлюється. Крім того, на цьому сайті є посилання на інші бібліотеки профілів.

Вибираємо будь-який профіль і викачуємо * .dat файл до себе на комп'ютер.

Редагування * .dat файлу з координатами профілю:

Перед тим, як імпортувати файл з координатами профілю в SW, його необхідно підкоригувати в Microsoft Excel. Але якщо безпосередньо відкрити цей файл в Excel, то всі координати виявляться в одному стовпці.

Нам же необхідно, щоб координати X і Y профілю були в різних стовпчиках.

Тому ми спочатку запускаємо Excel, а потім відкриваємо з нього наш * .dat файл. У випадаючому списку вказуємо «Все файли». У майстра текстів формат даних вказуємо - з символом-роздільником «Пропуск».

Тепер X і Y координати кожна в своєму стовпці:

Тепер видаляємо рядок 1 з текстом, рядок 2 з сторонніми даними і порожній рядок 3. Далі переглядаємо всі координати і теж видаляємо порожні рядки, якщо вони є.

Ще додаємо третій стовпець для координати Z. У цьому стовпці всі осередки заповнюємо нулями.

І зміщуємо всю таблицю вліво.

Відредагований * .dat файл повинен виглядати приблизно так:

Зберігаємо цей файл, як текстовий файл (значення, розділені табуляції).

Створення профілю в SW:

У SW створюємо нову деталь.

Запускаємо команду «Крива через точки XYZ» на вкладці «Елементи».

Натискаємо ОК і вставляємо в документ криву профілю крила.

Якщо видається попередження, що крива самопересекающиеся (це можливо для деяких профілів), то потрібно вручну в Excel відредагувати файл, щоб усунути самоперетинів.

Тепер цю криву потрібно перетворити в ескіз. Для цього створюємо на передній площині ескіз:

Запускаємо команду «Перетворення об'єктів» на вкладці «Ескіз» і в якості елемента для перетворення вказуємо нашу криву профілю.

Оскільки вихідна крива дуже маленького розміру (хорда профілю всього 1 мм!), То за допомогою команди «Змінити масштаб об'єкти» збільшуємо профіль в тисячу разів, щоб значення аеродинамічних сил більш-менш відповідали реальним.

Закриваємо ескіз і за допомогою команди «Витягнута бобишка / підставу» видавлюємо ескіз в твердотельную модель довжиною 1000 мм. Видавлювати можна насправді на будь-яку довжину, все одно ми будемо вирішувати завдання двовимірного обтікання.

Обдування профілю в модулі Flow Simulation:

На необхідно виконати обдувку отриманого профілю в трьох швидкісних режимах: дозвуковом злітно-посадочній (50 м / с), дозвуковом крейсерському (250 м / с) і надзвуковому (500 м / с) при різних кутах атаки: -5 °, 0 °, 10 °, 20 °, 30 °, 40 °.

При цьому необхідно побудувати картини в перерізі для кожного випадку і визначити підйомну силу і силу опору, що діють на профіль.

Таким чином, необхідно 18 разів виконати розрахунок у Flow Simulation і заповнити таку таблицю:

Обертання крила в SW виконується за допомогою команди «Перемістити / копіювати тіла».

Загальні параметри проекту такі: тип завдання (зовнішня без урахування замкнутих порожнин), тип текучого середовища (повітря, ламінарний і турбулентний плин, великі числа Маха для надзвукового режиму), швидкість в напрямку осі ХVХ = 50, 250 і 500 м / с. Інші параметри залишаємо за замовчуванням.

У властивостях розрахункової області вказуємо тип завдання - 2D моделювання.

Вказуємо мета розрахунку - поверхнева, ставимо мітки для середніх швидкостей по X і Y. а також для сил по X і Y.

На закінчення, будуються 6 графіків - залежно підйомної сили Y і сили опору X від кута атаки α. а також 3 поляри крила.

Що таке профіль крила?

Що таке кут атаки?

Що таке розмах крила?

Чим обтікання крила кінцевого розмаху відрізняється від обтікання крила з нескінченним розмахом?

Що таке хорда крила?

Які бувають хорди у крила?

Як визначити підйомну силу і силу опору (формули)?

Як виглядають графіки залежності CY і CX від кута атаки α?

Що таке поляра крила?

Які характерні точки є на поляра?

Що таке аеродинамічна якість крила?