Почему чистая конфигурация приводит к образованию больших вихрей на законцовках крыла?

На самом деле я бы предположил, что все наоборот.

Предположим, что интенсивность вихря и индуцированное сопротивление прямо коррелированы. Коэффициент индуктивного сопротивления может быть выражен как:

$c_{Di}=\frac{c_L^2}{\pi\cdot AR \cdot e}$

• $c_L$: Коэффициент подъемной силы
• $AR$: Соотношение сторон крыла
• $e$: так называемый фактор Освальда , число, равное единице для эллиптического распределения подъемной силы. Она уменьшается для распределений, отклоняющихся от эллиптического.

Большинство конструкций крыла направлены на достижение эллиптического распределения подъемной силы, чтобы минимизировать индуктивное сопротивление в чистой конфигурации .

При выпуске закрылков, спойлеров, аэродинамических тормозов и т. д. распределение подъемной силы будет существенно отклоняться от эллиптического (см. схему), что снижает$e$фактор и увеличение индуктивного сопротивления. Если первое предположение остается в силе, увеличение индуктивного сопротивления будет вызвано увеличением интенсивности вихря.

Кроме того, значительно более высокие коэффициенты подъемной силы могут быть достигнуты с помощью развернутых устройств механизации, которые также способствуют увеличению интенсивности вихрей.

Что вызывает крыловые вихри? Когда крыло создает подъемную силу, под ним создается более высокое давление воздуха, а над ним — более низкое. На конце крыла воздух высокого давления переходит в воздух низкого давления, и это создает вращательный элемент вихря, как описано в этой статье. Чем больше подъемная сила создается на конце крыла, тем сильнее будет вихрь.

Аэродинамическая подъемная сила является произведением коэффициента подъемной силы, плотности воздуха, скорости воздуха и площади крыла. Для дозвуковых скоростей: L =$C_L$* ½ * ϼ *$V^2$* A. Только множитель ½ в этом уравнении является истинной константой! У нас есть одно уравнение с пятью переменными, поэтому давайте посмотрим, что когда меняется.

Вопреки нашему первому инстинкту, площадь крыла не является постоянной величиной. Современные самолеты имеют закрылки Фаулера на задней кромке, которые выдвигаются наружу и увеличивают площадь крыла, а также изменяют кривизну крыла, что увеличивает коэффициент подъемной силы при заданном угле атаки. Итак, есть первая часть нашего ответа: с отклоненными закрылками у нас больше площадь крыла для создания заданной подъемной силы, поэтому ниже требуемое давление воздуха, следовательно, меньше подбрасывания воздуха на законцовке крыла :).

Вторая часть нашего ответа также связана с закрылками. Эллиптическое распределение подъемной силы возможно только в том случае, когда законцовка крыла имеет нулевое значение угла атаки, что характерно для крейсерского полета. Конфигурация чистого крыла предназначена для крейсерских условий, когда существует большая скорость полета для создания подъемной силы, и мы хотим свести индуктивное сопротивление к минимуму. Это же чистое крыло очень плохо подходит для создания такой же подъемной силы при минимально возможной посадочной скорости.

CL зависит от угла атаки и формы крыла. Ответ с графиком CL показывает CL при постоянной альфе как функцию отклонения закрылков. График CL при постоянном отклонении закрылков в зависимости от альфы показал бы относительно большую подъемную силу, создаваемую вблизи законцовки крыла, и именно там генерируются вихри крыла. Закрылки расположены больше внутрь, а это означает, что при отклонении большая часть подъемной силы создается вдали от законцовки крыла.

Я видел обе эти причины, используемые для объяснения этого, и, вероятно, они обе способствуют этому, но на моем обучении CPL меня учили, что причина в том, что нечистый самолет (и помните, что это включает в себя шасси, спойлеры, предкрылки и т. д.) вызывает нарушение воздушного потока, что снижает образование вихрей. Заявление всегда делается со ссылкой на «убрано», а не «закрылки убраны».

Вопрос возник также на Quora , и пришли два ответа, один с аргументацией, которую я дал, а другой с использованием концепции увеличенного AoA.

Не уверен, что с закрылками и шасси все так просто и очевидно.

Фактически с закрылками у нас есть как минимум четыре точки для генерации вихрей: на законцовках крыла и на внешних кромках закрылков, и они могут смешиваться друг с другом. Ответ FAA / EASA, по-видимому, основан на следующем исследовании НАСА и учитывает объединение вихрей законцовок крыла с вихрями закрылков / шасси и более быстрое ослабление общей силы вихря. Полагаю, что это действительно имеет смысл: самолет в чистой конфигурации генерирует "традиционные" достаточно хорошо изученные вихри, а самолет в посадочной конфигурации - гораздо более сложные интерференционные турбулентные течения. Очень сложно сказать, кто из них сильнее и опаснее.

Очень интересный тред на эту тему можно найти на PPRuNe , с красивыми картинками совершенно запутанных ситуаций, когда вихрь с левого крыла рассеивается, а правое остается стабильным и узким.

А вот еще одно исследование о турбулентности в следе с интересными результатами.