Почему подъемная сила уменьшается, а сопротивление увеличивается при приближении к условию сваливания?

Question

Почему подъемная сила уменьшается, а сопротивление увеличивается при приближении к условию сваливания?

Юрий Владимирович Зайцев

Это вопрос ECQB-PPL, конкретно касающийся того, что происходит перед сваливанием. Я понимаю, что после достижения критического угла аэродинамический профиль больше не создает подъемную силу (поэтому очевидно, что подъемная сила уменьшается), и паразитное сопротивление резко возрастает. Однако мне непонятно, почему это верно при приближении к стойловому условию.

Величина вектора подъемной силы описывается следующей формулой и $C_{lift}(\alpha)$ все еще увеличивается (хотя и медленно) при приближении к стойловому состоянию $\alpha_s$ :

л "=" \frac{1}{2} С_{л я ф т} (α) р В^{2} С

$L = \frac{1}{2} C_{lift}(\alpha) \rho V^2 S$

Или это чисто геометрическое соображение, и под этим вопросом подразумевается, что, поскольку вектор подъемной силы предполагается перпендикулярным среднему локальному относительному воздушному потоку ~~хорды аэродинамического профиля~~ , его вертикальная проекция (которая должна противодействовать весу) уменьшается, а его горизонтальная проекция добавляет сопротивления?

Просто чтобы подчеркнуть причину, по которой я запутался: мое понимание определения «стойла» заключается в том, что $C_L$ выровнялась и была достигнута максимальная подъемная сила. Поэтому я думал, что подъемная сила все равно (потихоньку) будет увеличиваться, а не уменьшаться при приближении к стойлу (но еще не доехав до него).

Это предполагает, что в остальном самолет находится в стабильном горизонтальном полете.

Таннер Светт

Кто вообще сказал, что подъемная сила уменьшается при приближении к стойлу? Это звучит неправильно для меня.

Юрий Владимирович Зайцев

Это экзаменационный вопрос из текущего набора ECQB-PPL 21.2 (E51-200511-00068). В частности, он спрашивает: «Как изменяются подъемная сила и сопротивление при приближении к состоянию сваливания?» и принятый ответ: «Подъемная сила уменьшается, а сопротивление увеличивается».

альбиремо

В любом случае, на мой взгляд, приближаться это означает, когда вы достигаете.

Койовис

Точка срыва определяется как пик в

C_{L}

$C_L$ -

α

$\alpha$ изгиб. Так при приближении к стойлу скорость нарастания снижается, немного

C_{L}

$C_L$ еще увеличивается.

rcgldr

Вопрос должен заключаться в том, почему коэффициент подъемной силы уменьшается при приближении к сваливанию. Одним из примеров является поворот или петля с высокой перегрузкой, где подъемная сила увеличивается с ускорением силы перегрузки при приближении, но еще не в состоянии остановки. Если угол атаки чрезмерный, обычно одно крыло сваливается раньше другого, что приводит к резкому крену.

Питер Кемпф

Связанный: Какова фундаментальная физика уменьшения L/D по мере увеличения AoA выше оптимальной точки?

Чарльз Бретана

И подъемная сила, и сопротивление увеличиваются по мере увеличения угла атаки, но поскольку подъемная сила является нормальной (к траектории полета) составляющей всех аэродинамических сил, а сопротивление — параллельной составляющей , поскольку общая сила отклоняется все дальше и дальше назад, параллельная составляющая (сопротивление ) увеличивается быстрее. В конце концов, в какой-то момент, когда угол атаки увеличится настолько, что вектор общей силы будет направлен назад больше, чем некоторый пороговый угол, или когда начнется разделение границ, подъемная сила начнет уменьшаться по мере того, как угол атаки продолжает увеличиваться. Это простая векторная механика, или геометрия.

Чарльз Бретана

Аналогично, если вы прикрепите веревку к грузу, прикрепленному к вертикальному шесту, к которому он должен оставаться прикрепленным, и будете стоять на расстоянии 20 футов и тянуть, груз не поднимется до тех пор, пока вы не потянете с силой, намного превышающей вес. Если вы встанете на расстоянии одного фута, задача значительно упростится. Это та же базовая векторная механика.

Ответы (4)

Почему подъемная сила уменьшается, а сопротивление увеличивается при приближении к условию сваливания?

Кто вообще сказал, что подъемная сила уменьшается при приближении к стойлу? Это звучит неправильно для меня.
Это экзаменационный вопрос из текущего набора ECQB-PPL 21.2 (E51-200511-00068). В частности, он спрашивает: «Как изменяются подъемная сила и сопротивление при приближении к состоянию сваливания?» и принятый ответ: «Подъемная сила уменьшается, а сопротивление увеличивается».
В любом случае, на мой взгляд, приближаться это означает, когда вы достигаете.
Точка срыва определяется как пик в $C_L$ - $\alpha$ изгиб. Так при приближении к стойлу скорость нарастания снижается, немного $C_L$ еще увеличивается.
Вопрос должен заключаться в том, почему коэффициент подъемной силы уменьшается при приближении к сваливанию. Одним из примеров является поворот или петля с высокой перегрузкой, где подъемная сила увеличивается с ускорением силы перегрузки при приближении, но еще не в состоянии остановки. Если угол атаки чрезмерный, обычно одно крыло сваливается раньше другого, что приводит к резкому крену.
Связанный: Какова фундаментальная физика уменьшения L/D по мере увеличения AoA выше оптимальной точки?
И подъемная сила, и сопротивление увеличиваются по мере увеличения угла атаки, но поскольку подъемная сила является нормальной (к траектории полета) составляющей всех аэродинамических сил, а сопротивление — параллельной составляющей , поскольку общая сила отклоняется все дальше и дальше назад, параллельная составляющая (сопротивление ) увеличивается быстрее. В конце концов, в какой-то момент, когда угол атаки увеличится настолько, что вектор общей силы будет направлен назад больше, чем некоторый пороговый угол, или когда начнется разделение границ, подъемная сила начнет уменьшаться по мере того, как угол атаки продолжает увеличиваться. Это простая векторная механика, или геометрия.
Аналогично, если вы прикрепите веревку к грузу, прикрепленному к вертикальному шесту, к которому он должен оставаться прикрепленным, и будете стоять на расстоянии 20 футов и тянуть, груз не поднимется до тех пор, пока вы не потянете с силой, намного превышающей вес. Если вы встанете на расстоянии одного фута, задача значительно упростится. Это та же базовая векторная механика.

Койовис · Answer 1

После достижения сваливания аэродинамический профиль все еще создает подъемную силу, но меньше, чем до сваливания. Плюс сильно увеличилось сопротивление из-за отслоившегося пограничного слоя сверху крыла, что вызывает сопротивление давления.

Источник изображения

На рисунке выше показано, почему пограничный слой отделяется: воздушный поток вблизи кожи замедляется из-за трения и не имеет достаточной кинетической энергии для преодоления градиента давления вдоль верхнего заднего борта. Статическое давление в области следа на картинке довольно низкое, что вызывает сопротивление давлению.

Потеря подъемной силы также происходит из-за отрыва воздушного потока, поток за точкой отрыва теряется для создания подъемной силы. Потеря подъемной силы происходит не из-за наклона крыла: вектор подъемной силы перпендикулярен вектору воздушной скорости, а не хорде крыла.

Источник изображения @ Re=10 $^6$

Описанный выше процесс происходит постепенно: $C_L$ увеличивается линейно с углом атаки до тех пор, пока точка отрыва не окажется на задней законцовке крыла (около $\alpha$ = 12° на графике), затем постепенно уменьшается с AoA, пока не достигает пика в $\alpha$ = 16°. На этом макс. $C_L$ на пике в верхней части крыла уже есть довольно сепарированный поток воздуха.

Глядя на пример выше, точка в $\alpha$ = 12° будет точкой начала сваливания , когда коэффициент подъемной силы начнет уменьшаться и может быть обнаружена турбулентность, но подъемная сила все еще увеличивается с увеличением угла атаки. Точка в $\alpha$ = 16° — точка сваливания: дальнейшее увеличение угла атаки приводит к уменьшению подъемной силы.

Ясно, так что на самом деле уменьшается величина вектора подъемной силы, и основным фактором, способствующим приближению к условию сваливания, является $S$ , сильно уменьшаясь при увеличении разделения, тогда как незначительно увеличивая $C_L$ и немного уменьшается $V^2$ не играют здесь важной роли, верно?
Это действительно величина. Приближение срыва потока, как и при отсутствии отрыва потока, означает, что аэродинамический профиль еще не застопорился. Именно отрыв потока вызывает нелинейные изменения. S не меняется, это площадь проекции крыла.
Извините, к сожалению, я так и не понял вашего ответа :-( Тогда почему величина вектора подъемной силы уменьшается перед достижением сваливания (как в исходном вопросе)?
Отредактировали ответ. Величина вектора подъемной силы достигает максимума в точке сваливания по определению.

Чарльз Бретана · Answer 2

Простой и, возможно, легкий для понимания ответ заключается в том, что крыло не создает отдельных сил, называемых подъемной силой и сопротивлением. Он производит силу в каждой точке крыла*, направленную в направлении, нормальном (перпендикулярном) к поверхности крыла в каждой точке. Подъемная сила — это просто сумма компонентов всех этих сил, которые являются нормальными или перпендикулярными к траектории полета самолета (это направление полета в воздухе), а Сопротивление — это просто компоненты всех этих сил, которые параллельны траектории полета . полоса взлета. (См. изображение в ответе @Koyovis выше... Вся эта маленькая графика, прикрепленная к верхней поверхности крыла, существует повсюду - в каждой точке на поверхности всего крыла .планер), и каждый из них создает компонент подъемной силы и компонент сопротивления.

Таким образом, когда аэродинамический профиль приближается к состоянию сваливания, его угол атаки (AOA) увеличивается, т. е. угол крыла по отношению к траектории полета становится круче, поэтому каждая из этих фактических реальных сил, действующих в каждой точке аэродинамический профиль все больше и больше наклоняется назад (назад). Поэтому составляющая тех сил, которая перпендикулярна траектории полета (ПОДЪЕМНАЯ), уменьшается, а составляющая, параллельная траектории полета (СОПРЯЖЕНИЕ), увеличивается.

Аэродинамические силы — это просто статическое давление воздуха, давит на поверхность любого аэродинамического профиля (или, фактически, любой формы), движущегося в воздухе. Эти силы вызваны столкновениями молекул воздуха, ударяющихся о поверхность и отскакивающих от нее. В этих столкновениях происходит обмен импульсом, и аэродинамическая сила является как раз результатом изменения импульса. Формула просто F=ma.

Эта формула на самом деле является сокращением для F=dP/dt. Где P — импульс (масса x скорость или мВ), поэтому dP — изменение импульса, а dP/dt — скорость изменения импульса. Это то же самое, что F = ma, потому что a - это скорость изменения скорости (dV / dt), поэтому F = ma совпадает с F = mx dV / dt, что совпадает с F = d (мВ) / dt, что совпадает с F=dP/dt, поскольку P = мВ

Спасибо всем за ответы и извините за задержку, я был очень занят экзаменами! Трудно выбрать «правильный» ответ, но я думаю, что этот ответ лучше всего объясняет это в духе ECQB и подтверждает мое подозрение, что они в основном имели в виду, что (при условии, что поток воздуха горизонтальный), вертикальная составляющая уменьшается, а горизонтальная составляющая увеличивается по мере вращения вектора подъемной силы (даже если величина самой «подъемной силы» все еще увеличивается до тех пор, пока $\alpha_s$ )...
@Yuri, я мог бы добавить тривиальную поправку к вашему комментарию в скобках о том, что поток горизонтален. Не имеет значения, является ли он горизонтальным. Вместо того, чтобы делать это предположение, все ваши концепции и утверждения одинаково верны, если вы думаете о вещах с точки зрения самолета и его траектории полета по воздуху (напротив относительного ветра). ), а не земли. Подъемная сила — это составляющая общей силы, перпендикулярная траектории полета , а сопротивление — составляющая, параллельная траектории полета.
Вы, конечно, правы - я просто употребил такие термины, как "горизонтальный" и "вертикальный", поскольку вопрос относился к прямолинейному и горизонтальному полету, а это легко представить и объяснить. Спасибо за разработку!

альбиремо · Answer 3

Ответ начните с понимания того, как генерируются аэродинамические силы. Аэродинамические силы являются результатом распределения давления вокруг аэродинамического профиля и сил сдвига из-за вязкости (посмотрите на определение в Википедии , не вдаваясь в подробности).

Исходя из этого, мы можем рассмотреть простой случай (NACA0012), в котором у нас есть симметричный аэродинамический профиль под углом 3 градуса. В результате поле течения «привязано» к крылу, и мы имеем максимальную эффективность, поскольку у нас нет «зон рициркуляции» (математически мы можем сформулировать гипотезу потенциального течения и сказать, что у нас нет зоны с завихренностью, отличной от 0, если вы хотите узнать больше, взгляните на теоремы Гельмольца ). Чем больше мы увеличиваем угол, тем больше у нас получается неблагоприятный уклон в задней части верхней поверхности аэродинамического профиля. В какой-то момент неблагоприятный градиент приводит к тому, что пограничный слой отделяется, и поток больше не связан (посмотрите на этопонять механизм). Это приводит к другому распределению давления, как вы можете видеть на фотографии Туэйтса , которую я вам прикрепляю.

Как видите, результат распределения давления (область под линией) менее заметен. Это можно легко описать с помощью теоремы Бернулли . Вы можете представить, что флюидная лопасть ограничена отсоединенным потоком, и, следовательно, у вас есть увеличение давления по сравнению с присоединенным потоком. Итак, наконец, это физика, стоящая за сваливанием и ухудшением аэродинамических характеристик (резкое снижение подъемной силы и увеличение сопротивления из-за сопротивления формы ) . В связи с этим существуют различные типы киосков. Чтобы узнать немного больше, я предлагаю вам прочитать этот отчет НАСА.

Тот факт, что подъемная сила уменьшается перед стойлом, зависит от типа стойла, которое у вас есть. На ECQB я думаю, что под "сваливанием" имеют в виду не ухудшение аэродинамического коэффициента срыва, а случай полного отрыва потока. Есть киоски, в которых на верхних гранях ставится ламинарный разделительный пузырь, а у вас происходит повторное прикрепление за счет турбулентного перехода. Вы можете увидеть пример на рисунке ниже (короткий пузырь переднего края).

Здесь у вас есть уменьшение подъемной силы перед полным отрывом потока, следовательно, это даст ответ на вопрос ECQB.

Спасибо, но кажется, что, как и @Koyovis, вы объясняете, что происходит после (или во время) сваливания (резкое снижение подъемной силы и увеличение сопротивления), но мой вопрос в том, почему в ECQB утверждают, что подъемная сила уменьшается до достижения сваливания.
Отредактировал ответ, чтобы попытаться ответить на конкретный вопрос.

Роберт ДиДжованни · Answer 4

На сайте airfoiltools.com вы можете изучить многие взаимосвязи подъемной силы и сопротивления, не беспокоясь о «правильном» ответе на тесте.

В одном конкретном курсе исследования «приближающееся сваливание» может быть предупреждением об отрыве воздушного потока от задней кромки крыла. С помощью увеличительного стекла вы можете увидеть, что подъемная сила здесь начинает уменьшаться, поскольку сопротивление продолжает увеличиваться. Может быть, в диапазоне нескольких десятых градуса угла атаки, прежде чем крыло полностью остановится.

Но, как показывают «полярные графики» и как пилот, точный угол атаки, который это происходит, тривиален, и разные аэродинамические поверхности могут иметь совершенно различное поведение вблизи сваливания. Лучше всего использовать V $^2$ для адекватной подъемной силы во время полета и избегайте чрезмерного угла атаки.

Возможное теоретическое объяснение для определенного крыла может быть в рамках трехмерной области исследования, поскольку вихри законцовок крыла начинают закручиваться обратно в вершину законцовки крыла больше при более высоком угле атаки, тем самым уменьшая общую подъемную силу непосредственно перед сваливанием.

Можно поговорить с их профессором по этому вопросу.

Почему подъемная сила уменьшается, а сопротивление увеличивается при приближении к условию сваливания?

Юрий Владимирович Зайцев