Почему передняя кромка должна быть тупой на низкоскоростных дозвуковых аэродинамических профилях?

При использовании профиля с острой передней кромкой на дозвуковом режиме необходимо адаптировать угол атаки так, чтобы точка торможения приходилась прямо на острую кромку.

Для каждого режима полета должен быть AoA, который обеспечивает это. Выше АоА, и точка торможения слишком низкая. Слишком низкий АоА, и точка торможения слишком высока. Однако условия полета часто меняются, поэтому требуемый угол атаки также изменяется динамически. Поскольку угол атаки также управляет подъемной силой, а подъемная сила является приоритетом в сознании пилота (в конце концов, он хочет продолжать полет), критическая точка лишь изредка будет совпадать с передним фронтом.

Во время полета угол атаки часто не совпадает с критической точкой , скажем, при слишком большом угле атаки будет происходить отрыв ниже передней кромки (на «внутренней стороне»). Это единственная хорошая иллюстрация, которую я смог найти:

Точка застоя находится на кончике единственной серой линии, которая останавливается прямо на черной пластине. В основном весь входящий поток между этим передним фронтом и точкой торможения (к сожалению, ни одна линия не показывает это на рисунке) будет следовать по этой траектории:

• Влетает на высокой скорости в аэродинамический профиль, ниже передней кромки, направляется к критической точке, но стремится чуть выше.
• Точка застоя — это точка наибольшего давления, поэтому входящий поток замедляется.
• Наступает момент, когда замедления достаточно, чтобы фактически повернуть вспять поток, который теперь устремляется вверх вдоль поверхности к передней кромке, теперь движимый давлением из точки торможения.
• Прибыв к передней кромке снизу, поток должен сделать разворот вокруг передней кромки, чтобы продолжать следовать форме крыла и течь к «extrados» и продолжать свою жизнь.

В этом и заключается проблема: достигнув, наконец, передней кромки, воздух имеет ненулевую скорость (нулевая скорость возникает только в точке торможения, а она только одна), но должен мгновенно изменить ее направление. Физика говорит «нет », и вы получаете большой вихрь на передней кромке, чтобы сгладить движение. К сожалению, это также называется пузырем отрыва потока, который может застопориться.

Это:

• плохо для производительности (перетаскивание)
• плохо для безопасности (зависает)
• плохо для комфорта (вибрация от вихрей)
• вредно для конструкции (вибрационная усталость)

Почему это происходит только в дозвуковом полете?

На сверхзвуковых скоростях информация не может перемещаться обратно по потоку, используя тот же трюк с градиентом давления, как только воздух оказывается на внутреннем/экстрадосном уровне, он остается там и не может вернуться в обратном направлении. Таким образом, никакая «адаптация» невозможна, независимо от AoA.

Зачем использовать закругленную переднюю кромку, чтобы исправить это на дозвуке?

С закругленной кромкой разворот не такой резкий, для воздуха вполне управляемый. Это означает, что у вас не всегда будет разделение потока, так что вы в безопасности. Чем круглее, тем легче больше диапазон AoA оставаться «адаптированным». Этот анимированный gif очень хорошо показывает, как точка торможения может перемещаться вокруг закругленного кончика, избегая при этом разделения:

^{Источник: ИНЖЕНЕРНЫЙ ФАКУЛЬТЕТ УНИВЕРСИТЕТА ГЕНУИ КАФЕДРА ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ ИНЖЕНЕРИИ БЕЗВРАТНЫЕ ПЛОСКИЕ ТЕЧЕНИЯ НЕВЯЗКОЙ ЖИДКОСТИ}

TL;DR Можно летать на дозвуковых скоростях с острой передней кромкой, но менее безопасно и с меньшими характеристиками. Ключевым моментом является адаптация AoA.

Короткий ответ заключается в том, что тупая передняя кромка допускает более широкий угол атаки, чем острая передняя кромка. Делая это еще проще для понимания, это делает самолет более щадящим в полете, чем острая передняя кромка.

Я уверен, что кто-то даст более подробное объяснение в соответствии с тем, что я сказал здесь. Я просто подумал, что было бы полезно дать быстрый ответ.

Нет требований к тупой передней кромке. Некоторые низкоскоростные дозвуковые аэродинамические поверхности, такие как Wainfan Facetmobile, имеют острые передние кромки. Конструкция аэродинамического профиля имеет множество компромиссов, подъемную силу / лобовое сопротивление, предсказуемые характеристики сваливания и т. Д.