Можно ли уменьшить/устранить вихри на законцовках крыла с помощью обращенного назад воздушного винта рядом с законцовкой крыла?

Да. С аэродинамической точки зрения имеет смысл использовать законцовку крыла в сочетании с пропеллером.

В этой статье Sinnige et al. , исследователи смоделировали и протестировали гребной винт в различных положениях вдоль полупролета, придя к выводу, что за счет увеличения эффективности пролета можно было получить реальные преимущества. Было измерено снижение сопротивления на 15 % при расположении винта на законцовке крыла по сравнению с обычным креплением:

При размещении пропеллера на конце крыла слипстрим взаимодействует с потоком вокруг законцовки крыла, тем самым влияя на поведение вихря законцовки крыла при свертывании и движении вниз по течению. Измерения PIV после модели винт-крыло показали, что это приводит к уменьшению общей закрутки при вращении внутрь вверх, для которого закрутка в скользящем потоке противоположна закрутке, связанной с вихрем законцовки крыла. В то же время было обнаружено, что характеристики системы улучшились из-за уменьшения сопротивления, вызванного крылом, что привело к выводу, что уменьшение закрутки вызывает уменьшение струи вниз, испытываемой крылом.

Помимо изменения лобового сопротивления, взаимодействие крыла с потоком воздушного винта также изменяет подъемную силу крыла. Локально повышенное динамическое давление увеличивает подъемную силу над омываемой слипстримом части крыла в размахе, которая усиливается за счет индуцированной закрутки для случая внутреннего вращения вверх. В результате при включенном винте возникает сильное изменение подъемной силы по размаху. Индуцированные скорости, вызванные этим градиентом подъемной силы, приводят к поперечному сдвигу скользящего потока. При вращении наружу наружу вихрь в скользящем потоке действует локально, противодействуя увеличению подъемной силы крыла из-за роста динамического давления, вызванного винтом. По сравнению со случаем вращения внутрь вверх это приводит к уменьшению подъемной силы крыла при заданном угле атаки, а значит, и к уменьшению максимального коэффициента подъемной силы. Более того,

Чтобы количественно оценить потенциальные аэродинамические преимущества конфигурации с установкой на законцовках крыла, было проведено прямое сравнение с обычной конфигурацией, когда воздушный винт установлен на внутренней части крыла. Увеличение подъемной силы крыла за счет взаимодействия с винтом было на 1-4 % меньше для законцовки крыла, чем для обычной. Для последнего повышенное динамическое давление и завихрение в воздушном потоке воздействуют на двойную протяженность по размаху и на часть крыла, где подъемная сила секции выше, чем для конфигурации с установкой на законцовке крыла. При более высоких углах атаки преимущество в подъемной силе для обычной конфигурации может быть дополнительно увеличено за счет локального увеличения угла атаки вблизи обеих сторон гондолы.

С другой стороны, с точки зрения лобового сопротивления конфигурация с установкой на законцовке крыла показала превосходные характеристики. При коэффициенте подъемной силы крыла$C_L = 0.5$и коэффициент тяги$0.09 < C_T < 0.13$, снижение лобового сопротивления составило около 15-40 единиц (5-15%) по сравнению с обычной конфигурацией. Аэродинамические преимущества конфигурации с установкой на законцовках крыла дополнительно увеличиваются с увеличением коэффициента подъемной силы крыла и коэффициента тяги воздушного винта, что приводит к уменьшению лобового сопротивления на 100–170 единиц (25–50 %) при$C_L = 0.7$и$0.14 < C_T < 0.17$. Анализ характеристик крыла подтвердил, что это преимущество лобового сопротивления в основном связано с уменьшением лобового сопротивления, создаваемого крылом. По сравнению с обычной конфигурацией относительное увеличение эффективности размаха до 40% было измерено для конфигурации с установкой на законцовке крыла. Хотя точное преимущество аэродинамического сопротивления будет зависеть от конструкции транспортного средства и условий эксплуатации, делается вывод о том, что взаимодействие между встречным потоком воздушного винта и вихрем законцовки крыла приводит к явному уменьшению сопротивления для конфигурации, установленной на законцовке крыла.

Имейте в виду, конечно, что это чисто аэродинамический аспект, и с точки зрения конструкции все может быть не так однозначно. В то время как вес в крыльях помогает уменьшить изгибающие напряжения, создаваемые подъемной силой, большая масса на конце может снизить первую собственную изгибающую частоту до неприемлемого уровня, рискуя совместить колебания крыла с какой-либо другой модой в полете или на земле.

Насколько мне известно, топливные баки на законцовках крыла в основном использовались на крыльях с относительно малым удлинением, что придает некоторую достоверность масштабам этой проблемы.

Устранить, нет. Вихри законцовок крыла являются неотъемлемой частью создания подъемной силы . Без вихрей на законцовках нет подъемной силы . Вихри следа несут импульс, который был сообщен воздуху для создания подъемной силы, и, чтобы отменить их, вы должны были бы придать воздуху противоположный импульс, что свело бы на нет созданную подъемную силу. См. Как самолет формирует турбулентность в следе?

Повысить эффективность, да, немного. Пропеллеры будут вызывать нисходящий поток в своем размахе за пределами законцовок крыла, эффективно увеличивая размах крыла, а более длинный размах крыла означает немного меньшее индуктивное сопротивление.

Однако такая конструкция имела бы крайне плохую управляемость с одним двигателем не только потому, что тяга стала бы очень асимметричной, но и потому, что подъемная сила частично зависела бы от двигателей, и, следовательно, сторона с остановленным двигателем также потеряла бы некоторую подъемную силу, а отклоняющий элерон для компенсации создаст большее сопротивление, чтобы сделать тягу еще более асимметричной. И у него были бы плохие характеристики с полностью выключенным двигателем из-за потери подъемной силы. Не похоже на оптимальный подход, когда аналогичные преимущества можно получить без всех этих проблем, используя более длинные крылья.

Вихри на законцовках крыльев несут некоторую энергию, и не оставлять ее позади кажется хорошей идеей. Вот почему винглеты - это вещь, в конце концов.

А что, если поставить пропеллер на законцовку крыла, совместив ось с ядром вихря? Пропеллер «увидит» входящую завихренность, и лопасти будут иметь соответственно большее локальное падение, тем самым создавая большую поступательную силу — немного похоже на размещение направляющих лопастей перед ним. В качестве альтернативы пропеллер мог вращаться немного медленнее или немного уменьшить наклон лопастей, чтобы вернуть тягу туда, где она была. Завихрение, создаваемое винтом, будет соответственно уменьшено, поэтому в целом будет меньше завихренности и завихрения в потоке позади самолета.

Пока все это звучит довольно хорошо.

Тем не менее, есть несколько недостатков, от наименее до наиболее серьезных:

1: вихревой вихрь довольно силен в своей основе, но угловая скорость быстро уменьшается по мере удаления — это означает, что самая внутренняя часть вашего винта получает наибольшее дополнительное падение, но поскольку он также движется медленнее всего, а его лопасти самые толстые, он все равно не дает большой тяги. Внешние биты не заметят большого эффекта, так как их собственная окружная скорость будет намного выше скорости вихря в этом месте.

2: При установке винта непосредственно за крылом лопасти будут проходить через след профиля крыла с внутренней стороны, где поток воздуха значительно медленнее. В худшем случае, если поток на крыле разделится, лопасти винта могут пройти через значительную зону «мертвой воды», что означает меньшую тягу и большую механическую нагрузку на лопасти. Также больше шума. В большинстве существующих толкающих конфигураций винт установлен на некотором расстоянии от крыла, чтобы уменьшить этот эффект. Но если бы вы сделали это с толкающими винтами на законцовках крыла, это только усугубило бы проблему...

3: Вихрь законцовки крыла не совпадает точно с задней кромкой законцовки крыла, не говоря уже об оси винта. В зависимости от условий полета вихрь будет сильнее или слабее, а при большом падении он становится более размытым вихревым листом — представьте себе множество маленьких вихрей, выпущенных из точек вдоль внешней кромки крыла, распространяющихся вниз по потоку. Это означает, что во многих условиях полета у вас будет вихрь, который на самом деле не совпадает с пропеллером, что снижает желаемый эффект, но в некоторых других условиях у вас будет сильный, хорошо сфокусированный вихрь, ударяющий пропеллер где-то не по центру. и вращение лопастей вашего пропеллера вызывает плохие вибрации, а также может быть разделение на лопастях, что означает потерю тяги и ужасный шум, в сочетании с необходимостью усиления всей трансмиссии (или столкновением с гораздо более высоким износом). Вы можете сделать пропеллер аэродинамически более устойчивым к таким вещам, но это всегда будет происходить за счет эффективности, и это то, что мы намеревались получить в первую очередь...

Толкающие винты не очень эффективны с самого начала (поскольку поместить весь самолет в завихрение, исходящее от винта, все же более эффективно, чем подвергать винт воздействию следа самолета), и в основном используются из соображений устойчивости (это связано с момент тангажа и рыскания, создаваемый гребным винтом в наклонном потоке) - так что, хотя выравнивание гребного винта с вихрем изолированно действительно имеет смысл, слишком много реальных эффектов не позволяют этому повысить эффективность по сравнению с обычным старым винтом, установленным спереди. .

Так что, мы ничего не можем сделать с этим вихрем?О да, вы можете! Вы можете поместить маленькое крыло внутрь восходящей волны сразу за пределами размаха крыльев, что также известно как «увеличение размаха крыльев» — чем больше крыло, тем больше подъемная сила, но вихрь не станет сильнее. Вот почему у планеров такие длинные и тонкие крылья. Или, если вы не можете сделать крыло длиннее (слишком большой изгибающий момент корня крыла, ограничения по размеру...), добавьте немного под углом! Классический вертикальный винглет работает следующим образом: он перенаправляет направленный внутрь поток над законцовкой крыла, чтобы он шел прямо вниз по потоку, и это создает в основном направленную внутрь силу, но также и направленную вперед составляющую ==> это означает, что он делает именно то, что может пропеллер. не делать эффективно, что ослабляет вихрь и извлекает из него небольшую поступательную силу. В эти дни,

У Дуга Маклина есть отличный обзор устройств законцовки крыла, который стоит прочитать, и дает хорошее представление о том, почему пропеллеры могут уменьшить, но, вероятно, не устранить вихрь законцовки крыла.

Подводя итог: законцовочный вихрь (на самом деле, свернутый вихревой след) создает на крыле нисходящий поток, который эффективно уменьшает угол атаки крыла относительно набегающего потока. Этот нисходящий поток увеличивается с силой вихря законцовки крыла, которая пропорциональна подъемной силе крыла. Индуцированный угол нисходящей струи$\alpha_i$можно компактно представить как$\alpha_i = \frac{C_L}{\pi e AR}$.

Чтобы компенсировать этот поток вниз, самолет должен лететь под большим углом атаки, чтобы достичь некоторой подъемной силы. Компонент лифта ($C_L\sin\alpha_i$) теперь указывает в направлении потока. Это индуктивное сопротивление, и если$\alpha_i$мало, вы получите обычное выражение индуцированного сопротивления$C_{D_i} = C_L\sin\alpha_i = \frac{C_L^2}{\pi e AR}$.

Итак, как это изменится, если мы добавим еще один источник завихрения? Это не уменьшит подъемную силу крыла; завихренность, создаваемая подъемной поверхностью, все еще будет присутствовать. В идеале, чтобы устранить индуцированное сопротивление, наш новый источник завихренности будет иметь противоположный знак и одинаковую величину, чтобы создать соответствующий восходящий поток на крыле, который повернет вектор подъемной силы обратно в направлении свободного потока.

Пропеллер так может? Стоит задуматься, откуда берется завихренность (вихрь) в следе от винта. Swirl — тангенциальная скорость, сообщаемая следу; это в основном из-за вязких потерь в лопастях. Хорошо спроектированные гребные винты пытаются, среди прочего, свести к минимуму такие потери. Если бы у вас был винт, хорошо сконструированный для обеспечения прямой тяги, вам нужно было бы вложить огромное количество энергии, чтобы вязкие потери противодействовали всему вихрю законцовки крыла; вероятно, намного больше, чем вам нужно для тяги вперед. В типичном крыле реактивного лайнера подъемная сила в крейсерском режиме примерно в 20 раз превышает тяговую силу. Потери на завихрение, как и завихренность законцовки, пропорциональны тяге, создаваемой винтом, которая на порядок меньше подъемной силы крыла.

Теоретически вы могли бы сконструировать пропеллер, чтобы добавить больше вихря в след, более эффективно противодействуя вихрю на конце. Но это снизит эффективность гребного винта при создании прямой тяги, поэтому вряд ли даст чистую выгоду.

Как показывают испытания, установка законцовки крыла дает определенные преимущества. Вы не можете спроектировать пропеллер без завихрения, так что вы могли бы также получить некоторую оценку за него, поместив его на законцовках крыла (если вы можете принять связанные с этим вес и компромиссы OEI). Но он не собирается полностью (или даже существенно) устранять индуктивное сопротивление.

TL:DR Завихрение пропеллера и вихри на законцовках крыла возникают из-за неэффективности этих двух систем. Эти неэффективности могут до некоторой степени компенсироваться, но они оба пропорциональны величине силы, создаваемой крылом/пропеллером. Поскольку крыло в крейсерском режиме создает примерно в 20 раз больше силы, чем винт, эффект его неэффективности будет преобладать.

Вы не можете остановить их формирование, но в случае с лопастями ротора вы можете уменьшить вихри на концах до такой степени, что они почти исчезнут к моменту прибытия следующей лопасти.